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长期以来，人们认为材料从液体变成固体，主要由经典成核理论决定，即当晶核体积达到临界尺寸后便会发生结晶。然而，在生物矿化、纳米材料生长、限域结晶等大量真实体系中，晶核往往处于纳米尺度的狭小空间内，此时周围界面的影响远远超过传统理论的预测。由于缺乏能够在原子尺度实时操控和观察单个临界晶核演化的方法，几何限域究竟如何影响材料的相变过程、晶体取向以及最终结构，一直是材料科学中的重要基础问题。近日，武汉理工大学傅正义院士、桑夏晗研究员联合苏州实验室丁峰研究员利用原位透射电子显微镜，首次实现了对单个铋（Bi）纳米晶核的原子级实时操控，直接观察到了其在准非晶纳米盘—晶体纳米线—液态纳米液滴之间的可逆循环相变。研究发现，决定这一相变的关键参数并非传统认为的体积，而是纳米晶核的长径比。与此同时，几何限域还能主动选择晶体生长方向，使纳米线形成传统自由生长中难以获得的特殊取向。这项工作建立了几何调控相变与晶体取向的新理论，为未来利用空间限域精准设计纳米材料提供了新的思路。相关成果以“Geometrically driven reversible solid-liquid phase transition at the atomic scale”为题发表在《Science》上，Wenjun Cui和Cheng Qian为共同第一作者。

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