晶体的成核与生长是材料学科的重要研究方向,传统晶体生长模型是基于离子-离子(ionby-ion)的形核生长而进行构建,但越来越多的证据表明晶体还可以通过晶粒聚集(aggregation based crystal growth)的方式实现生长。[1]虽然人们发现纳米晶粒能通过相同晶面之间的有序吸附形成单晶,但是对于无定形颗粒及结晶度较差纳米颗粒的聚集生长的机制还不清楚。我们结合生物矿化的仿生构建发现在磷酸钙颗粒的聚集生长过程中,无定形相在不同取向的晶粒子之间起到重要的桥连作用,最终能够获得高度有序的羟基磷灰石晶体。[2]和传统理论不同的是,经由无定形相转化的羟基磷灰石结晶动力学上并不依赖于溶液的过饱和度,而是取决于前驱体和溶液中自由钙离子浓度并进一步推导出能够符合生物矿化现象的动力学公式。这也说明在无定形颗粒参与的聚集生长过程中,组装单元间的界面调控是结晶的关键。[3]进一步,我们发现纳米颗粒能以无序状态首先吸附聚集在晶体表面并形成无序层。该无序层会在自身应力的驱动下而产生自发的重组并通过晶界迁移的方式实现无序层向单晶的演化过程。通过测定表面有序化速率和应力的关系,我们发现两者之间的联系并成功实现有序结晶的调控。这个机理有助于我们理解基于聚集的晶体生长过程,特别是对于生物矿化机制理解,也为仿生材料的制备和硬组装的仿生修复提供新的思路。[4]例,利用无定形磷酸钙颗粒在牙釉质表面的吸附和有序相转化结晶,我们可以获得与釉质类似取向的羟基磷灰石层,初步实现了牙釉质的仿生重构。[4]