凝结时空精华,铸就序构材料,力促大尺寸功能晶体新发展

Developing Large-size Functional Crystals through Condensing Essence of Time-space and Modulating Order of Materials

中国科学技术协会发布的2021年重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题,将“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”列为首要问题,位居十个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题之首。这不仅对于进一步激发功能晶体材料领域研究人员的好奇心和自由探索热情,引领科技创新趋势和科研攻关方向,服务国家科技创新发展具有重要意义,而且将引导功能晶体材料领域广大科技工作者围绕问题开展原创性、引领性的科技攻关,为加快建设科技强国作出更大贡献,以优异成绩丰富中国式现代化内涵。大尺寸晶体材料在矿物学领域自然天成,常常令材料科技工作者感到震惊。例如,在所有已获认证的晶体中,最大尺寸的晶体是来自马达加斯加共和国的绿柱石,长18 m,直径3.5 m,体积约为143 m^(3),质量约为380 t。追溯矿物的形成过程,人们不难发现形成大尺寸晶体在时空上的基本要求是时间长、空间大。因此,道法自然,生长大尺寸功能材料装备的研制与晶体生长动力学研究是两个关键自由度。由于晶体生长动力学与热力学互为函数,晶体生长的宏观行为不但在多尺度水平上受到结晶学结构对称性、组成元素间键合行为、晶体缺陷等多种物理化学因素制约,而且在多层次上受到生长装备塑造的生长环境的影响。随着数值模拟计算、SolidWorks和COMSOL多物理场仿真软件,以及结晶固液界面形态可视化技术、装备自动化升级和多种原位检测技术的广泛应用,可利用电子背散射衍射和中子衍射等检测手段,从多维度、多尺度表征晶体的色心、局域配位结构、位错和晶界缺陷。开展晶体生长动力学与热力学研究可以依赖越来越丰富的精确数据。基于对“零缺陷”功能晶体的发展需求,大尺寸人工晶体总体上呈现从传统的单温区向多温区、传统的单加热体向多加热体耦合方向发展,更多深入系统的研究成果将会越来越振奋人心。

In 2001,China Association for Science and Technology released the major scientific issues,engineering technical problems and industrial technology issues.Among them,“How to break through the preparation theory and technology of large-size crystal materials”was listed as the primary issue,and the top one of 10 frontier scientific issues.This issue plays a significant role in related scientific research by stimulating curiosity and free exploration enthusiasm of the researchers in the field of functional crystal materials,guiding trend of innovation and research direction,and pushing researchers to carry out original and leading research focusing on the challenges to make greater contributions to accelerating construction of a strong scientific and technological country,and enriching the connotation of the Chinese-style modernization.