La croissance cristalline est une question cruciale pour la science fondamentale et les applications larges. La morphologie et la vitesse de croissance sont généralement déterminées par une interaction entre les forces motrices thermodynamiques macroscopiques et le processus cinétique microscopique à l'interface cristal-liquide.

Alors que la croissance cristalline est bien comprise dans des conditions de croissance proches de l'équilibre, la transition de croissance avec diverses morphologies de croissance est mal comprise dans des conditions de croissance non équilibrées (par exemple, compression dynamique).

Une étude récemment publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) fournit un nouvel aperçu de la croissance cristalline sous compression dynamique à l'aide d'une technique avancée de cellule à enclume de diamant dynamique (dDAC), qui comble les comportements inconnus de la croissance cristalline entre les conditions de pression statiques et dynamiques. Le travail a été mené par une équipe de recherche collaborative du Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), Université des sciences et technologies (UST) en Corée du Sud et Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées (AIST). Co-auteur principal Yong-Jae Kim, un physicien au Lawrence Livermore National Laboratory, a mené la recherche en tant que chercheur postdoctoral au KRISS.

"Notre étude fait un pas en avant pour mieux comprendre et prédire la croissance cristalline dans le monde réel, des flocons de neige divers aux intérieurs de planètes dans des conditions extrêmes, ", a déclaré Kim.

L'équipe a révélé l'origine de la croissance par choc induite par la pression de cristaux de glace uniques présentant une dimensionnalité réduite en contrôlant les conditions de croissance locales à l'aide du dDAC avancé. La structure locale à l'interface eau-glace est renforcée par une compression rapide, facilitant la cinétique d'interface rapide et donc l'initiation de la croissance par choc bidimensionnel (2-D), pression de fusion même proche de l'équilibre.

Avec le dDAC avancé, l'équipe a mesuré simultanément l'évolution de la morphologie, microstructures (avec spectroscopie Raman ou diffraction des rayons X) et les conditions de croissance environnantes (telles que la pression et le volume cellulaire) pendant la croissance cristalline. Ils ont également effectué des simulations de dynamique moléculaire pour une compréhension microscopique plus élaborée de la situation physique à l'interface eau-glace.

"Généralement, la croissance cristalline rapide résulte de la croissance rapide des coins cristallins sous une grande force motrice, conduisant finalement à la formation d'une morphologie dendritique. Contrairement à l'attente générale, une compression rapide a initié la croissance par choc 2-D à partir des bords du cristal 3-D initial avec au moins une vitesse de croissance supérieure d'un ordre, plutôt que de ses coins, bien que la pression mesurée de l'ensemble du système soit presque proche de la pression de fonte de la glace (c'est-à-dire une petite force motrice), " a déclaré Kim. "Cela implique que la compression rapide provoque effectivement une surpression importante sur les bords du cristal. Une force motrice efficace aussi importante conduit à une structure d'interface similaire à celle des cristaux en vrac le long du plan de croissance de choc, facilitant enfin la cinétique d'interface rapide provoquant une croissance de choc en 2D."

Regarder vers l'avant, Kim prévoit d'étendre cette recherche en utilisant la compression de choc par laser pour explorer la cinétique de la croissance cristalline et les transitions de phase à des échelles de temps encore plus rapides, avec des applications pour une meilleure compréhension de la structure intérieure et de l'évolution des planètes glacées comme Uranus et Neptune.