沿用百年的材料相变经典理论被我国科研团队突破！团队在原子尺度观测限域空间相变行为，构建全新数学模型，收获可改写教科书的重磅成果。

武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室傅正义院士、桑夏晗研究员团队，携手苏州实验室丁峰研究员，拿下了材料相变研究的里程碑成果。相关研究论文题为《Geometrically driven reversible solid-liquid phase transition at the atomic scale》，在2026年7月16日正式登上国际顶级期刊《Science》正刊。

本次研究以武汉理工大学为第一完成单位，桑夏晗研究员、丁峰研究员担任共同通讯作者，崔文俊博士、钱丞博士为共同第一作者，全程展现了我国顶尖的基础科研实力。

核心突破：沿用百年的经典形核理论，被彻底修正

长久以来，材料固液相变的研究，一直依托百年经典均匀形核理论。这套理论认为，物质的固液相变，是球形晶核的体积自由能和表面自由能相互竞争的结果，晶核的体积、半径是决定相变的核心关键。

而这次，我国科研团队用精准的原子尺度实验，推翻了这一固有认知！

团队借助高精度原位透射电子显微镜，搭建出半径小于5纳米的铋团簇限域空间，实现了超高难度的原子分辨率实时观测。我们首次清晰捕捉到：临界晶核会随着空间几何条件改变，在准非晶纳米圆盘、单晶纳米线、液态纳米液滴三种状态之间，实现稳定的可逆循环相变。

研究最终证实：决定相变状态的核心，根本不是晶核体积或半径，而是晶核的长径比。

实验精准划定了相变规律：长径比小于0.4时，物质稳定为准非晶态；长径比在0.4至1.5之间，会形成稳定晶体；长径比超过1.5，晶体就会熔化为液滴。这一关键发现，从根源上修正了沿用百年的经典相变理论。

全新理论机制，看懂不一样的物质相变

为什么长径比能主导相变过程？研究揭开了背后的核心原理：

纳米限域空间的双重界面，打破了物质系统原本的三维球对称结构，原本趋近于球形的临界晶核，被迫转变为圆柱形结构。此时，晶体自身的表面能各向异性成为主导相变的关键因素。

更颠覆认知的是，这种特殊的几何限域效应，能让液固相变直接跳过形核势垒，让相变过程瞬间完成、速度极快。

这也是全球首个通过原子尺度直接实验观测，修正材料相变基础教科书理论的重大成果。

三大硬核科技亮点，实现多项国际首创

1. 全新几何驱动相变理论落地

团队成功搭建出多界面限域相变专属数学模型，告别了沿用百年的体积判定标准，把晶核长径比确立为判断物质相稳定性的全新核心依据，重塑了材料相变的基础研究逻辑。

2. 发现限域空间独特的晶体生长规律

在纳米限域空间的约束下，纳米线会产生极强的择优生长取向，约77%的晶面会平行于界面稳定存在。这种特殊取向在自由纳米颗粒中完全不会出现。

结合第一性原理计算验证，该取向可以暴露能量最低的晶面，让原本阻碍结晶的表面能，反过来成为推动晶体生成的动力，刷新了学界对晶体生长的认知。

3. 突破国际实验观测技术瓶颈

团队成功实现了单个临界晶核十余次可逆循环的精准操控和实时观测，这项精准、稳定的原子尺度动态观测技术，是此前全球所有科研团队都没能实现的技术突破。

广阔应用前景，赋能多领域材料革新

这项全新的相变新机制，不只是基础理论的突破，更能实实在在落地应用，为多个核心领域提供全新的底层设计思路：

在纳米催化领域，可利用几何限域效应精准调控材料活性位点结构，大幅提升催化效率；在纳米薄膜制备中，能精准控制晶体生长取向，定向优化薄膜光电、力学等核心性能；在粉末冶金行业，可精准解析烧结初期的形核原理，优化生产工艺、提升产品质量。

同时，由于表面能各向异性是绝大多数晶体的固有特性，这套相变规律并不局限于铋材料体系，未来有望普及到各类先进功能材料的研发设计中。

科研重大意义：相变研究迈入全新时代

此次研究成果，彻底打破了传统“热力学驱动相变”的固有研究框架，标志着材料相变研究正式迈入「几何驱动」的全新范式。

为纳米限域材料制备、复合材料界面精准调控、仿生功能材料研发等前沿方向，筑牢了全新的核心理论根基，是我国在材料物理基础研究领域，具有世界级影响力的里程碑突破。

图片来源：武汉理工大学新闻经纬2026年7月17日官方成果通稿，为2026.7.16上线《Science》论文原生实验实拍合成图：