徐莉梅课题组揭示曲面约束下螺旋晶体形成与调控新机制

      从DNA双螺旋到手性碳纳米管，螺旋手性结构广泛存在于生命体系和低维材料中，并深刻影响材料的光学、电学和力学性能。螺旋结构究竟是如何形成的，又如何实现精准调控，一直是软物质物理与材料科学关注的重要科学问题。近日，北京大学徐莉梅课题组与合作者围绕圆柱受限空间中球形粒子的晶化过程开展研究，结合分子动力学模拟与自由能分析，发现了一种由曲面几何阻挫驱动的无能垒“壳–核”两步结晶机制，并揭示了准一维受限条件下螺旋结构的动力学选择机制。

      研究发现，在准静态降温过程中，晶体首先沿圆柱内壁形成有序“外壳”，并呈现严格的逐层生长规律。在每一个温度下，晶体都会停留在对应的稳定壳层厚度，只有进一步降温才会形成下一层。随着壳层逐渐增厚，剩余液体所处空间不断缩小，受限程度持续增强。当受限程度达到临界尺度时，晶体生长模式发生转变，由继续形成外部壳层转向核心区域剩余粒子的协同有序化，最终完成由“壳”到“核”的结晶过程。这一结晶方式不同于传统晶化中晶体从局部成核并逐渐长大的过程。 

      自由能计算进一步揭示了这一过程背后的物理机制。壳层的逐层生长不断改变剩余液体的有效受限几何，而受限几何的演化又持续重塑体系的自由能景观，两者形成动态反馈，推动体系沿连续演化路径逐步有序化。整个过程中，体系无需跨越传统晶化所需的成核势垒，从而揭示了一种由曲面几何阻挫驱动的无能垒结晶机制，并为丰富多样螺旋结构的形成提供了动力学基础。

左图：曲面约束下无能垒“壳–核”两步晶化过程。右图：动力学控制的螺旋晶体选择机制。 

      当体系存在多种可能的螺旋结构时，决定最终形成哪一种结构的因素是什么？研究团队进一步考察了降温速率对结晶动力学的影响。令人意外的是，较慢降温并不会简单推动体系趋向无手性的最低能态，反而促进了螺旋结构的形成。研究发现，螺旋结构的形成并非由热力学稳定性单独决定，而是由曲面几何约束与结晶动力学共同调控。通过调节降温速率，可以在多种竞争性的螺旋结构之间实现可控选择，为受限空间中手性晶体的设计与制备提供了新的动力学调控途径。 

      该研究揭示了曲面几何阻挫驱动螺旋晶体形成及其动力学选择的新机制，阐明了几何约束如何通过重塑自由能景观影响晶体生长路径和螺旋结构选择，深化了对低维受限体系非平衡结晶动力学的认识。研究成果为受限空间中螺旋晶体材料的可控制备提供了理论依据，也为利用曲面几何设计和调控新型功能材料提供了新的思路。

      相关成果以《Kinetic control of chiral helicity in curvature-frustrated crystallization》为题发表于《科学通报》（Science Bulletin） 。北京大学物理学院量子材料科学中心博士生袁梓峰为论文第一作者，北京大学物理学院量子材料科学中心徐莉梅教授与北京师范大学物理与天文学院孙刚教授为共同通讯作者。华东师范大学物理与电子科学学院夏成杰教授、复旦大学物理学系/应用表面物理全国重点实验室谭鹏教授和香港城市大学物理系王循理教授共同参与了该研究。 

      论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.07.002