Команда Хана из HKUST предполагает, что полиморфный кристаллический слой может образовываться на поверхности кристалла перед фазовым переходом кристалл-кристалл и называет это переходом "предварительно твердое тело". Если бы атомы углерода вблизи поверхности алмаза могли перестроиться в графитовую решетку до достижения температуры перехода алмаз-графит, то это был бы так называемый переход из предтвердого состояния в твердое. Механизм, по сути, тот же, что и при предварительном плавлении или замораживании: вновь образованный поверхностный слой снижает поверхностную энергию кристалла. Команда Хана указала, что это возможно, когда два полиморфных кристалла могут образовывать когерентную границу раздела, то есть две решетки с соответствующим расстоянием между решетками и ориентацией идеально совпадают на границе раздела. Таким образом, поверхность более плотного полиморфного кристалла может образовывать слой менее плотного кристалла, поскольку вновь образованная граница раздела кристалл-кристалл является когерентной и практически не требует затрат энергии.

Команда Хана дополнительно подтвердила переход из состояния до твердого состояния в твердое в ходе эксперимента и компьютерного моделирования. Они обнаружили, что поверхность тонкопленочного коллоидного кристалла с треугольной решеткой может образовывать квадратную решетку, поскольку их граница раздела является когерентной. Толщина поверхностного слоя растет с повышением температуры по степенному закону, аналогичному предварительному плавлению. Это дополнительно подтверждается их моделированием атомов с различными взаимодействиями.

Предварительное плавление было впервые выдвинуто Майклом Фарадеем, отцом электричества, в 1842 году, но экспериментально однозначно подтверждено только в 1980-х годах. Второй тип явления, предварительное замораживание, был предложен и наблюдался в 1950-70-х годах. Переход "предварительно твердое тело", предложенный и наблюдаемый командой Хана, является третьим типом поверхностного смачивания, предшествующего фазовому переходу.

Хотя это явление происходит при тепловом равновесии, они обнаружили, что поверхностный кристаллический слой может также существовать в неравновесных процессах после резкого изменения температуры, таких как плавление, замораживание и отжиг поликристаллов. Поверхностный слой облегчает процессы, таким образом, может быть полезен при изготовлении и обработке материалов. Тривиальный переход из твердого состояния в твердое, происходящий на свободной поверхности после пересечения точки перехода из твердого состояния в твердое, исключается из поликристаллического отжига, правила фазы или других доказательств. Кроме того, они обнаружили новые двойные поверхностные слои жидкости и квадратную решетку в перекрывающемся температурном режиме предварительного плавления и перехода из твердого состояния в твердое.

Коллоиды, такие как молоко, краска, кровь, обычно представляют собой жидкие суспензии мелких частиц микронного размера с броуновскими движениями. Траектории теплового движения частиц можно отследить с помощью оптической микроскопии даже внутри объемных кристаллов или жидкостей, что вряд ли возможно получить в атомных системах. Таким образом, коллоиды были использованы в качестве мощной модельной системы для измерения микроскопических процессов при фазовых переходах. "Наша работа показывает, что коллоиды также эффективны в обнаружении нового типа явлений даже при хорошо известном поведении фаз в условиях теплового равновесия". Хан сказал: "Его механизм прост и, таким образом, мог быть предложен десятилетия назад, но, похоже, это слепое пятно в материаловедении. Одним из будущих направлений является поиск этого явления в атомных или молекулярных кристаллах. В отличие от предварительного плавления, которое обычно существует в большинстве кристаллов, переход "предварительно твердое тело" может существовать только в полиморфных кристаллах с низкоэнергетической когерентной границей раздела. Мы предложили несколько вариантов атомных и молекулярных кристаллов с когерентными интерфейсами."

Полиморфные кристаллы часто обладают различными свойствами, например, графит мягкий, черный и электропроводящий, в то время как алмаз твердый, прозрачный и непроводящий. Кристалл с полиморфным кристаллическим слоем обладал бы настраиваемыми поверхностными свойствами, и такой слой может регенерировать после износа или коррозии. Таким образом, это должен быть очень полезный материал в приложениях.

Работа финансируется Гонконгским советом по исследовательским грантам и Гуандунским фондом фундаментальных и прикладных исследований и недавно была опубликована в Физика природы.