O crescimento do cristal é uma questão crucial para a ciência fundamental e aplicações amplas. A morfologia e a velocidade do crescimento são geralmente determinadas por uma interação entre as forças motrizes termodinâmicas macroscópicas e o processo cinético microscópico na interface líquido-cristal.

Embora o crescimento do cristal seja bem compreendido em condições de crescimento próximo ao equilíbrio, a transição de crescimento com diversas morfologias de crescimento são mal compreendidas em condições de crescimento de não equilíbrio (por exemplo, compressão dinâmica).

Um estudo publicado recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) fornece uma nova visão do crescimento do cristal sob compressão dinâmica usando uma técnica avançada de célula de bigorna de diamante dinâmico (dDAC), que liga os comportamentos desconhecidos do crescimento do cristal entre as condições de pressão estática e dinâmica. O trabalho foi conduzido por uma equipe de pesquisa colaborativa do Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia (KRISS), Universidade de Ciência e Tecnologia (UST) da Coréia do Sul e Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) do Japão. Co-autor principal Yong-Jae Kim, um físico do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, conduziu a pesquisa como pesquisadora de pós-doutorado no KRISS.

"Nosso estudo dá um passo à frente para melhor compreender e prever o crescimento do cristal no mundo real, de diversos flocos de neve a planetas interiores em condições extremas, "Kim disse.

A equipe revelou a origem do crescimento de choque induzido por pressão de cristais de gelo únicos mostrando dimensionalidade reduzida, controlando as condições de crescimento local usando o dDAC avançado. A estrutura local na interface água-gelo é aprimorada por compressão rápida, facilitando a cinética de interface rápida e, portanto, a iniciação de crescimento de choque bidimensional (2-D), mesmo perto da pressão de fusão do equilíbrio.

Com o dDAC avançado, a equipe mediu simultaneamente a evolução da morfologia, microestruturas (com espectroscopia Raman ou difração de raios-X) e condições de crescimento circundantes (como pressão e volume celular) durante o crescimento do cristal. Eles também realizaram simulações de dinâmica molecular para um entendimento microscópico mais elaborado da situação física na interface água-gelo.

"Geralmente, O rápido crescimento do cristal resulta do rápido crescimento dos cantos do cristal sob uma grande força motriz, finalmente levando à formação de uma morfologia dendrítica. Ao contrário da expectativa geral, a compressão rápida iniciou o crescimento de choque 2-D a partir das bordas do cristal 3-D inicial com pelo menos uma ordem de velocidade de crescimento superior, ao invés de seus cantos, embora a pressão medida de todo o sistema seja quase próxima à pressão de derretimento do gelo (isto é, pequena força motriz), "Kim disse." Isso implica que a compressão rápida causa uma sobrepressão efetivamente grande nas bordas do cristal. Essa grande força motriz efetiva leva a uma estrutura de interface semelhante como cristais em massa ao longo do plano de crescimento de choque, finalmente facilitando a cinética de interface rápida causando o crescimento de choque 2-D. "

Olhando para a frente, Kim planeja expandir essa pesquisa usando compressão de choque conduzida por laser para explorar a cinética de crescimento do cristal e transições de fase em escalas de tempo ainda mais rápidas, com aplicações para uma melhor compreensão da estrutura interior e evolução de planetas gelados como Urano e Netuno.