La crescita dei cristalli è una questione cruciale per la scienza fondamentale e per vaste applicazioni. La morfologia e la velocità di crescita sono generalmente determinate da un'interazione tra le forze motrici termodinamiche macroscopiche e il processo cinetico microscopico all'interfaccia liquido-cristallo.

Mentre la crescita dei cristalli è ben compresa in condizioni di crescita quasi all'equilibrio, la transizione di crescita con diverse morfologie di crescita è scarsamente compresa in condizioni di crescita di non equilibrio (ad es. compressione dinamica).

Uno studio recentemente pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) fornisce una nuova visione della crescita dei cristalli sotto compressione dinamica utilizzando una tecnica avanzata di cellule di incudine diamantate dinamiche (dDAC), che collega i comportamenti sconosciuti della crescita dei cristalli tra condizioni di pressione statiche e dinamiche. Il lavoro è stato condotto da un team di ricerca collaborativo del Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), University of Science and Technology (UST) in Corea del Sud e National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) del Giappone. Il co-autore Yong-Jae Kim, un fisico al Lawrence Livermore National Laboratory, ha condotto la ricerca come ricercatore post-dottorato presso KRISS.

"Il nostro studio fa un passo avanti verso una migliore comprensione e previsione della crescita dei cristalli nel mondo reale, dai diversi fiocchi di neve agli interni dei pianeti in condizioni estreme, " ha detto Kim.

Il team ha rivelato l'origine della crescita shock indotta dalla pressione di singoli cristalli di ghiaccio che mostrano una dimensionalità ridotta controllando le condizioni di crescita locale utilizzando il dDAC avanzato. La struttura locale all'interfaccia acqua-ghiaccio è migliorata dalla compressione veloce, facilitando la cinetica dell'interfaccia veloce e quindi l'inizio della crescita dello shock bidimensionale (2-D), anche vicino all'equilibrio della pressione di fusione.

Con il dDAC avanzato, il team ha misurato simultaneamente l'evoluzione della morfologia, microstrutture (con spettroscopia Raman o diffrazione a raggi X) e condizioni di crescita circostanti (come pressione e volume cellulare) durante la crescita dei cristalli. Hanno anche eseguito simulazioni di dinamica molecolare per una comprensione microscopica più elaborata della situazione fisica all'interfaccia acqua-ghiaccio.

"In genere, la rapida crescita dei cristalli deriva dalla rapida crescita degli angoli di cristallo sotto una grande forza motrice, portando infine alla formazione di una morfologia dendritica. Contrariamente all'aspettativa generale, la compressione veloce ha avviato la crescita dello shock 2-D dai bordi del cristallo 3-D iniziale con una velocità di crescita di almeno un ordine superiore, piuttosto che dai suoi angoli, sebbene la pressione misurata dell'intero sistema sia quasi vicina alla pressione di fusione del ghiaccio (cioè una piccola forza motrice), " ha detto Kim. "Ciò implica che la compressione veloce causa effettivamente una grande sovrapressione ai bordi del cristallo. Una forza motrice così grande ed efficace porta a una struttura di interfaccia simile a quella dei cristalli sfusi lungo il piano di crescita dell'urto, finalmente facilitando la cinetica dell'interfaccia veloce che causa la crescita dello shock 2-D."

Guardando avanti, Kim prevede di espandere questa ricerca utilizzando la compressione d'urto guidata dal laser per esplorare la cinetica della crescita dei cristalli e delle transizioni di fase a tempi ancora più rapidi, con applicazioni per una migliore comprensione della struttura interna e dell'evoluzione di pianeti ghiacciati come Urano e Nettuno.