在低于液相线的温度下，几乎任何材料都不能忽略结晶，因此，结晶动力学将确定必要的热动力以避免结晶并获得玻璃态。生产微晶玻璃的主要挑战之一是找到所需微晶分布的最佳热历史。从过冷液体到晶体的相变有两个现象学步骤：形核步骤和生长步骤。Wilson-Frenkel的理论很好地描述了生长步骤，但形核的基础物理学仍然难以捉摸。尽管进行了数十年的研究，但对液体动力学与晶体形核之间的关系仍没有明确的了解。
形核研究对于玻璃陶瓷尤为重要。微晶玻璃是一种复合材料，包含至少一种嵌入玻璃相中的结晶相，受益于玻璃相和结晶相的特性。微晶玻璃无处不在的原因之一是它们相对容易生产。微晶玻璃可以通过标准的玻璃成型程序，使用额外的热处理来成型，但是对微晶玻璃的形核步骤仍然知之甚少，经典形核理论(CNT)根据参数的确定方式给出了不同的结果，无法始终如一地获得对形核曲线的准确预测，意味着必须通过实验来选择合适的形核温度，这可能是充分设计微晶玻璃最具挑战性和最耗时的方面之一。使用可行的计算方法对设计进行优化对于实现新一代定制材料至关重要。
美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出了一种能级模型来解释形核的热力学和动力学。这种能级模型与用作模型的二硅酸钡系统的实验形核数据相当一致。它可以作为深入了解经典形核理论(CNT)的基础物理学和计算形核率的新方法。相关论文以题为“Energy landscape modeling of crystal nucleation”发表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117163
研究发现通过自由能差、动能参数和表面能这几个参数作为温度的函数可以计算如下公式中的形核速率。0.1是Zeldovich因子的一个近似值。与1024原子系统相比，768原子模拟与实验数据吻合更准确(尽管两者都表现出良好的一致性)。实际形核率差异小于1个数量级，因此其他缺失状态对结果的影响很小。CNT在预测形核率的数量级方面是不够准确的，当σ恒定时，可以达到几十个数量级。本文提出的方法与经典形核理论工具集相比具有明显优势。
图2二硅酸钡中结晶相和SCL/glass相之间的界面结构示意图
图3 (a)过渡速率和(b)自由能差与温度的函数关系；(c)计算界面能量与温度函数的拟合
与晶体相不同，在晶体相中原子位置是早就确定的，液体位的原子坐标和键构型细节必须用统计分布来描述。由于这种增加的复杂性，平均场分布通常用于描述非结晶位点。波动的结合可以更准确地预测每个液体位点向结晶相的转变。给定的随环境而变化，取决于具体的液体状态，而不是平均值。因此，从所有过冷液态到晶态的形核速率并不是恒定的，这就是考虑波动的原因，也证明了能级模型是一种强大的技术。因为考虑了自由能的分布并显示了所有可能的结构波动，所以能级模型作用十分强大。虽然这不是第一次通过计算检查经典形核理论以了解该理论是否有效，但它是第一次独立地参数化每个变量以尝试计算形核率。当用于CNT表达式时，不仅计算了所有变量，而且还再现了液相线温度，并合理地预测了形核率。本文第一次报道复杂微晶玻璃系统的真实能量分布。这种利用能级模型和经典形核理论的方法可以合理快速地计算玻璃液体的形核曲线。未来该模型可用于开发商业微晶玻璃或预测保持液体玻璃态所需的临界速率。（文：破风）
