胶体结晶形成的有序结构（即胶体晶体），在光学器件、传感器、储能材料、生物医学等领域，具有广泛的应用价值。此外，胶体粒子还可以看作在时间和空间上被放大了的原子或分子，作为模型体系研究结晶过程。然而，重力引起的对流、沉降等效应可能显著影响结晶动力学，甚至掩盖胶体结晶路径和结晶机制。近期，力学所微重力复杂流体团队在中国空间站的胶体结晶实验中发现，地面重力环境下难以保持稳定的亚稳态体心立方（bcc）结构，在微重力环境下其寿命有十分显著的延长。该研究不仅对一般物质的结晶机制提供了更深刻的见解，而且还为胶体晶体材料的制备和晶型控制提供了可能途径。该工作以“Long-lived metastable bcc phase in the crystallization of charged colloids under microgravity”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊上。

和经典成核理论（CNT）所述不同，结晶往往不是一步完成的，而是由两步甚至多步完成。Ostwald很早就提出分步结晶律，即由母液开始的结晶，最先形成的往往不是热力学上最稳定的晶体，而是自由能更接近液态的亚稳态晶体；随后Alexander和McTague进一步指出，bcc亚稳态在弱一级相变中占优势。在这项研究中，我们利用中国空间站流体物理实验柜光谱光散射实验装置，研究了带电胶体悬浮液的结晶动力学过程，发现在地面常重力下稳态为面心立方(fcc)的胶体样品，在微重力下结晶时却难以达到稳态，而是形成长寿命的亚稳态bcc。分子动力学模拟和空间实验结果一致。此外，自由能计算结果表明，在空间实验的可观测时间范围内，未能实现bcc-fcc转变。该项研究不仅验证了Ostwald分步结晶律和Alexander-McTague结晶机制，而且也进一步表明，重力效应可能是促进bcc-fcc转变的重要因素。

力学所副研究员周宏伟为论文第一作者，欧阳文泽副研究员和徐升华研究员为共同通讯作者。研究工作主要得到中国载人航天工程项目“胶体的聚集和相转变的微重力研究”和国家重点研发计划项目“空间微重力流体物理与热物理研究”（2022YFF0503503）的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979725012329

图1 (A) 空间站流体物理柜的反射光谱示意图；(B) 结晶样品单元照片

图2空间（A）和地面（B）胶体结晶的反射光谱图。晶体结构分别为亚稳态bcc和稳态fcc

图3分子动力学模拟中，带电胶体在不同时刻的构型。其中红色球代表fcc，蓝色球代表bcc，绿色球代表密排六方（hcp）