科研进展 | 孙刚课题组揭示弯曲界面受限空间中的螺旋晶体形成和调控机制

螺旋手性结构广泛存在于生物体系和低维材料中，深刻影响材料的光学、电学和力学性能。螺旋结构如何生成及如何受控，一直是热力学与统计物理、软物质物理与材料科学关注的核心问题。近日，孙刚课题组结合分子动力学模拟与自由能分析，研究了圆柱受限空间中球形粒子的结晶过程，发现了一种由曲面几何约束驱动的“壳—核”两步、无能垒结晶机制，并揭示了准一维受限条件下螺旋结构的动力学选择规则。

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”，并按层逐步生长：在每一温度下，体系停留在对应的稳定壳层厚度，只有进一步降温才能形成下一层。随着外壳增厚，剩余液相的有效空间被持续压缩，受限程度增强。当受限达到临界尺度时，生长模式由“继续包壳”转为核心区剩余粒子的协同有序化，完成由“壳”到“核”的转变。这一过程不同于传统的局部成核并向外长大的晶化路径。

自由能计算表明：外壳逐层生长不断改变剩余液相的有效几何约束，而几何约束的演化反过来重塑自由能景观，二者形成动态反馈，使体系沿一条连续的低能路径逐步有序化，因此无需跨越经典成核的能垒。由此得到的无能垒壳—核机制为曲面几何驱动的螺旋晶体形成提供了明确的动力学基础。

左图：曲面受限下壳-核两步晶化过程。  右图：准一维受限下螺旋结构的选择规则

针对多种候选螺旋结构的选择问题，团队进一步考察了降温速率的影响。结果表明，较慢降温并不必然使体系落入无手性的最低能态，反而更有利于螺旋结构的产生。也就是说，螺旋结构的成败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作用的结果。通过控制降温速率，可在竞争的螺旋构型之间实现可控选择，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策略。

本研究揭示了曲面几何约束如何通过重塑自由能景观来驱动无能垒结晶并选择螺旋结构，深化了对低维受限体系非平衡结晶动力学的理解。成果为可控制备受限空间中的螺旋晶体材料提供了理论依据，并为利用几何设计开发新型功能材料开辟了新思路。

相关成果以“Kinetic control of chiral helicity in curvature-frustrated crystallization”为题发表于Science Bulletin 。北京师范大学物理与天文学院孙刚教授与北京大学物理学院量子材料科学中心徐莉梅教授为共同通讯作者。北大量子材料中心袁梓峰博士为第一作者，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。研究工作得到了国家自然科学基金的资助。

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