从水结冰到金属凝固，经典成核理论统治了人类对液固相变的认知一百多年。它说：晶核长大到临界体积，相变自然发生。

但这个理论在纳米尺度“失灵”了——在生物矿化、限域结晶等真实体系中，周围界面的影响远超预测。由于缺乏原子尺度实时操控的手段，几何限域如何影响相变，一直是材料科学中的基础难题。

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，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。

颠覆性的发现是：决定相变的关键参数不是体积，而是长径比。

成果于2026年7月16日发表于《科学》。

在电镜里“捏”出一个纳米晶

研究人员设计了一套原子级“操作台”：用压电驱动的钨探针接触Bi₂Te₃晶体，施加偏压使Bi离子沿材料层状结构的范德华间隙迁移，在探针尖端富集形成纳米液滴。

随后，他们将单个纳米液滴夹持在两个界面之间，构建了一个可调节的纳米限域空间，开启了前所未有的原子尺度“相变实验”。

当纳米液滴被压缩进极窄间隙后，形成厚度仅约1.5 nm、直径约5.5 nm的纳米圆盘。高分辨电镜显示，它既不是标准晶体也不是完全液体，而是一种准非晶态——大部分区域无序，但受压方向仍保留局部有序原子链。

Figure 1（原位TEM平台与可逆循环相变）

核心发现：长径比说了算

研究人员缓慢拉开两侧界面，圆盘厚度不断增加。随着长径比逐渐增大，准非晶结构开始局部结晶，最终完全转变为单晶纳米线。继续拉伸到临界值后，纳米线又突然脱离界面，瞬间重新熔化。

统计大量实验数据发现：晶体稳定存在的范围由长径比决定，而非体积。

当把所有数据按体积重新绘制后，传统理论预测应由体积决定的规律完全失效。在自由表面形成的纳米颗粒依然遵循经典成核理论，但在纳米限域环境中，几何形状取代体积，成为决定相稳定性的首要参数。

热力学模型揭示，这是各向异性表面能与界面能的新竞争：晶体不同晶面的表面能与纳米晶和上下界面的界面能达到最佳平衡时，对应最稳定的长径比。经典成核理论的自由能景观，在几何限域下被彻底重塑。

Figure 2（长径比 vs 体积的实验统计与热力学模型）

更狠的是：限域还“强迫”晶体选择取向

自由状态下形成的纳米颗粒会不断随机旋转，不同晶面的取向几乎均匀分布。但被限制在两个界面之间后，约77%的纳米线都倾向于保持 (2̅110)晶面与界面几乎平行。

第一性原理计算发现，沿[2̅110]方向生长时能暴露最低表面能晶面，整体能量最低。其平均侧表面能甚至低于液态铋的表面能——原本阻碍晶体形成的表面能，反而成为了促进结晶的驱动力。

Figure 4（几何限域诱导晶体择优取向）

研究意义

第一，给百年经典成核理论画了一条“适用边界”。

在自由空间中，体积决定相变；但在纳米限域中，长径比才是“说了算”的那个参数。经典理论不是错了，而是“不够了”。

第二，提出“几何驱动相变”新理论。

这项研究首次在原子尺度证明：几何形状本身就是一种可编程的相变控制参数。通过设计限域空间的几何构型，可以主动选择晶体的相态和取向。

第三，为纳米材料精准设计提供了新工具。

原子尺度的“量体裁衣”已成为可能——通过调控长径比，可以精准决定纳米晶是液体、准非晶还是晶体，甚至强迫它长成特定的晶体取向。

论文信息：Geometrically driven reversible solid-liquid phase transition at the atomic scale，Science，2026，DOI: 10.1126/science.aed6019

总结：

原位TEM原子级操控→几何限域内可逆相变→长径比而非体积决定相稳定性→限域主动选择晶体取向→建立“几何驱动相变”新理论。