晶体纳米材料因结构高度有序，在数据存储、光学器件等技术中具有应用价值。不过，纳米颗粒从无序状态组装成目标晶体并不容易，颗粒在形成过程中可能陷入不利于结晶的排列，从而难以获得预期结构。

中间相被视为结晶关键步骤

康奈尔大学达菲尔德工程学院研究人员在《美国国家科学院院刊》发表研究称，所谓“中间相”——介于完全无序流体与固体晶体之间的物质状态，例如电子显示器和传感器中使用的液晶——可在结晶过程中发挥关键作用，使结晶更快且更可靠。

论文资深作者、R.F.史密斯化学与生物分子工程学院塞缪尔·W·和M·黛安·博德曼教授费尔南多·埃斯科贝多表示，学界此前曾怀疑中间相可能有助于结晶，因为它们可作为通往晶体状态的中途阶段；研究结果显示，中间相确实能够充当“垫脚石”，为结晶提供更有效的路径。

模拟结果：经历中间相的系统结晶更快

埃斯科贝多与2024年博士毕业生B.P.普拉卡什使用先进计算机模拟，研究多个纳米颗粒系统从无序到晶体有序的转变过程。研究团队称，在所有案例中，经历中间相的系统结晶速度均快于试图一步完成结晶的系统。

研究指出，结晶过程需要跨越自由能障碍，这一障碍会造成动力学瓶颈并拖慢结晶。埃斯科贝多以“跨越1米障碍”作比喻称，将一次跨越拆分为两个更小的步骤会更容易、更高效，而中间相的作用类似于把结晶路径分段，从而降低跨越难度。

自由能障碍降低，结晶速率可提升多个数量级

研究人员表示，他们对自由能障碍与结晶速率进行了定量测量，结果证实中间相能够减少动力学瓶颈，在某些情况下使结晶速度提高了几个数量级。

除加快结晶外，研究还指出，中间相可能为提升晶体质量提供空间。埃斯科贝多称，在中间相中更容易对缺陷进行退火，因为该相更具流动性与柔性；若能使中间相更均匀，当其进一步结晶时，最终晶体可能出现更少缺陷。

为纳米材料设计提供“组装条件”思路

研究团队认为，这些发现可为纳米材料研究人员与工程师提供新的设计思路，即通过规划有利条件，引导颗粒按正确顺序组装，减少走向“错误晶体”路径的风险。研究还提出，即便某种材料此前未被观察到出现中间相，只要其能够形成晶体，通常也可通过改变外部条件或调整纳米颗粒设计，使其更可能形成中间相。

研究虽聚焦纳米颗粒体系，但埃斯科贝多表示，这些原理可能同样适用于聚合物、蛋白质等在组装过程中常出现中间状态的系统；通过有意利用中间相，研究人员或可更高效地构建具有新颖性质的材料。