枝蔓晶體

枝蔓晶體（枝晶）是以典型的多枝樹狀形式發展的晶體。樹枝狀晶體生長是非常普遍的，並且通過視窗上的雪花形成和霜狀圖案來說明。樹枝狀結晶形成自然分形圖案。

基本介紹

• 中文名：枝蔓晶體
• 外文名：dendritic crystal
• 別名：枝晶
• 形狀：多枝狀

內容簡介

枝蔓晶體是以典型的多枝狀樹狀形式發展的晶體。樹枝狀晶體生長是非常普遍的，並且通過視窗上的雪花形成和霜狀圖案來說明。樹枝狀結晶形成自然分形圖案。樹枝狀晶體可以生長成過冷純液體或者由於生長速率受限於溶質原子向界面的擴散速率而發生的生長不穩定性。在後一種情況下，必須有從溶液中的過飽和值到與表面上的晶體平衡的濃度梯度。任何突起的發展伴隨著尖端濃度梯度陡峭。這增加了對尖端的擴散速率。與此相反的是表面張力的作用趨於使隆起變平，並且將隆起中的溶質原子通量設定到側面。但是，總的來說，隆起變得放大了。這個過程一次又一次發生，直到產生枝晶。

“枝晶”一詞來源於希臘字樹突，意思是“樹”。在古生物學中，樹枝狀礦物晶體形式經常被誤認為是化石。這些“假化石”形式的岩石中自然形成的裂縫充滿了滲透礦物質溶液。當富含錳和鐵的水沿著石灰石和其它岩石層之間的裂縫和層面流動時，它們形成，當溶液流經時，沉積樹枝狀結晶。

枝晶生長

在日常生活中，經常可以看見樹枝一樣蔓延生長出來的晶體，稱之為枝晶。

其中，最常見的雪花就是枝晶生長的例子。實際上，雖然雪花是大家習以為常，熟視無睹的現象，但是，對於它的形成機理，人們卻並不是很了解。我們都知道雪花六出，但是，雪花的形態也並非人們想像的那么簡單，它有許許多多不同的形狀變化。在放大鏡下進行觀察，其形態可以用Koch曲線描述。除了雪花，很多金屬或者合金也會出現枝晶的形態，比如古代的刀劍劍身那些美麗的花紋，有很多都是由枝晶在點綴。另外，關於枝晶我們常見的還有松花蛋中的美麗圖樣以及霜花、火山岩等。

枝蔓晶體

就像準晶、海岸線等非平衡系統一樣，枝晶也有著分維的特點，屬於十分複雜的晶體生長類型。這些圖案漂亮的枝晶，是非平衡晶體生長的產物。一般來說，枝蔓晶體的產生和雜質有關。雜質對晶體的生長影響很大，不僅會影響晶體的物理性能，而且會使晶體在生長過程中改變形態形成枝晶。遠離平衡條件下的晶體生長也很容易形成枝晶。

礦物學和古生物學

在古生物學中，樹狀礦物的晶體形態經常被誤認為是化石。這些偽化石形成為岩石中天然存在的裂隙，被滲透的礦物質溶液填充。當富含錳和鐵的水沿著石灰石和其它岩石層之間的裂縫和層面流動時，它們形成，當溶液流經時，沉積樹枝狀晶體。涉及多種錳氧化物和氫氧化物，包括：

1.水鈉錳礦(Na₄Mn₁₄O₂₇·9H₂O)；

2.鉛硬錳礦(PbMn₈O₁₆)；

3.鉀錳礦(KMn₈O₁₆)；

4.錳鋇礦(BaMn₈O₁₆)；

5.鋇硬錳礦((Ba，H₂O)Mn₅O₁₀)；

6.鋇鎂錳礦((Ba，Mn，Mg，Ca，K，Na)₂Mn₃O₁₂·3H₂O)和其他。

枝晶的三維形式在石英裂隙中形成，形成苔蘚瑪瑙。

結晶學和冶金學

自然界中物質的存在狀態有三種：氣態、液態、固態（此處指一般物質，未包括“第四態”電漿）。固體又可分為兩種存在形式：晶體和非晶體。晶體是經過結晶過程而形成的具有規則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規律周期性重複的排列。

在化學中，枝晶是一種在生長過程中分成兩個部分的晶體。

NASA微重力實驗

等溫樹狀生長實驗（IDGE）是一項材料科學凝固實驗，研究人員利用太空梭的任務來研究可以排除重力影響（液體中的對流）的環境中的樹突生長。樹枝狀凝固是固化金屬和合金的最常見形式之一。當材料在一定條件下結晶或固化時，它們不穩定地凍結，產生樹枝狀形式。科學家們對樹突的大小，形狀以及樹突分支之間的相互作用特別感興趣。這些特徵在很大程度上決定了材料的性質。

科學研究

2022年9月，哈佛大學的科學家為電動汽車(EV)開發了一種新型固態鋰金屬電池，有望實現3分鐘內完全充電。該電池可自我修復，這意味著它的化學成分允許它回填由枝晶產生的孔。

2022年11月，美國麻省理工學院研究人員解釋了可充電鋰電池“枝晶”的形成原因以及如何防止其穿過電解液的方法。