(文章轉載自EurekAlert!，首次刊登於2023年3月17日)
冰在零下攝氏幾度尚未達到零度熔點時，表面就已經熔化出一薄層水了，這種預熔化現像對滑冰和雪花生長很重要。類似地，液體往往在達到其凝固溫度前便於平坦的基底上結出一薄層晶體，即預凝固或預結晶。逼近相變（如熔化和結晶）溫度時，表面層的厚度通常會增加並發散。除了預熔化和預凝固外，是否存在類似相變前兆的表面層仍很少被探索。
香港科技大學韓一龍教授的團隊提出，在固-固相變前，某些晶體表面可形成同素異形晶體層，並將其命名為預固-固轉變。比如，金剛石表面附近的碳原子若能在達到金剛石-石墨轉變溫度之前就重排列成石墨晶格，那麼這就是一個預固-固轉變。其機制與預熔化或預凝固基本相同，即新形成的表面層降低了總表面能量。 韓教授的團隊指出，預固-固轉變出現在兩個同素異形晶體可以形成一個共格界面時，即兩個晶格的格點間距和方向恰當時，它們在界面處可完美吻合，所以能量極低。因此，高密度的晶體表面可以形成一層低密度的同素異形晶體。
韓教授的團隊進一步在實驗和計算機模擬中證實了預固-固轉變。他們發現具有三角晶格的膠體薄膜晶體的表面可以形成四方晶格，因為它們能形成共格界面，表面層的厚度隨著溫度逼近固-固轉變點呈冪律增長，與預熔化類似。這些實驗結果都被他們的模擬所證實，而且模擬發現不同相互作用的原子模型都具有類似現象。
1842 年，電學之父邁克爾·法拉第（Michael Faraday）首次推測預熔化的存在，但直到 1980 年代才通過實驗明確證實。預凝固作為第二類現象在 20 世紀 50 年代到 70 年代被提出並觀察到。 韓教授的團隊提出並觀察到的預固-固轉變是第三種作為相變前兆的表面浸潤層。
雖然這是熱平衡下的現象，但他們發現表面結晶層也可以存在於急劇變溫後的非平衡過程中，例如熔化、結晶和多晶退火 表面層促進了這些過程，對材料製備和加工有一定意義。從多晶退火、吉布斯相律或其他證據都可排除表面晶體是越過固-固轉變點後的普通固-固轉變的可能。另外，他們還在預熔化和預固-固轉變的重疊溫度範圍內發現了液體層和四方晶格層共存的新穎雙表面層。
膠體，如牛奶、油漆、血液等，通常是具有布朗運動的微米級小顆粒的懸浮液。 即使在稠密的三維晶體或液體內部，粒子的熱運動軌跡也可被光學顯微鏡追蹤，而固體內原子運動軌跡很難用電子顯微鏡觀測。因此，膠體作為一種有力的模型系統，已被用來觀測各種相變中的微觀過程。「我們的工作表明，即使對於比較成熟的熱平衡下的相行為，膠體也能發現新現象。」 韓教授說：「預固-固轉變的機理很簡單，幾十年前就可以被提出來，但似乎是材料學的一個盲點。未來的一個研究方向是在原子或分子晶體中尋找這種現象。與大多數晶體普遍存在預熔化不同，預固-固轉變只存在於具有共格界面的同素異形晶體中，我們提出了幾種具有共格界面的原子和分子候選晶體。」
同素異形晶體通常具有不同的特性，例如石墨柔軟、黑色、導電，而鑽石堅硬、透明、不導電。具有預固-固轉變的晶體表面具有厚度可調的不同結晶層，而且可以在磨損或腐蝕掉後再生。因此，這種表面性質可調的材料會有各種應用。
該工作由香港研究資助局和廣東省基礎及應用研究基金資助，已於近月在《自然物理》期刊上發表。
