如果對一種固態物質進行足夠的加熱，熱能會導致該物質材料的分子開始分裂，形成液體。從有序的固體到無序液體相轉變的最熟悉例子之一是冰變成水。

雖然熔/融化是物質的一個基本過程，但由於缺乏足夠時間解析度的研究能力，科學家們還沒有完全能夠在微觀層面上理解它是如何發生的。然而，近十年來X射線自由電子鐳射器(XFELs)的出現，使得研究熔化機理以及其他超快原子尺度動力學成為可能。

這些儀器使用（非束縛）自由電子在X射線能區產生飛秒光脈衝（飛秒為萬億分之一秒）。與X射線同步加速器相比，X射線自由電子鐳射器具有持續時間短得多、強度高得多的X射線脈衝。

現在，一個由國際科學家組成的研究團隊，已經使用南韓浦項加速器實驗室XFEL(PAL-XFEL)來監測奈米厚的金膜熔化情況，這些金膜由許多取向不同的非常微小晶體組成。研究使用超短X射線脈衝(“探針”)來監測這些多晶金薄膜在飛秒鐳射(“泵浦”)激發後的結構變化，從而誘導熔化。

當X射線脈衝擊中黃金時，X射線光束會以一種具有材料晶體結構特徵的圖案進行衍射，通過收集皮秒尺度上不同泵浦-探測時間延遲的X射線衍射影象，研究人員能夠在金薄膜熔化開始和進行時拍攝“快照”。衍射花樣隨時間的變化揭示了晶體無序的動力學。科學家們之所以選擇黃金進行這項研究，是因為它對X射線的衍射非常強，並且有一個明確的固體到液體的轉變相，X-射線衍射圖表明熔融是不均勻(不均勻)的。

在發表在《科學進展》期刊上的研究中，科學家們提出，這種熔化很可能起源於不同取向的晶體相遇的介面（稱為晶界的缺陷），然後傳播到較小的結晶區（晶粒），換句話說，晶界在晶體其餘部分開始融化之前就開始融化了。

美國能源部布魯克海文國家實驗室(DOE)凝聚態物質物理和材料科學部(CMPMS)X射線散射小組負責人、該研究的共同作者伊恩·羅賓遜(Ian Robinson)說：科學家們認為，多晶材料的熔化優先發生在表面和介面上，但在XFEL之前，熔化程序隨時間的變化尚不清楚。

眾所周知，鐳射產生“熱”（高能）電子，當它們將能量傳遞到晶體時會導致熔化。這種能量傳遞過程優先發生在晶界，因此不均勻的觀點直到現在才被提出。羅賓遜團隊的博士後、第一作者Tadesse Assefa說：

鐳射誘導熔化的機理對於航空航天、汽車和其他工業中使用的精密部件的微機械加工非常重要。鐳射與材料耦合的方式，隨鐳射脈衝持續時間的不同而不同。例如，飛秒鐳射的超短脈衝，似乎比納秒鐳射的長脈衝更適合於進行乾淨的切割，如鑽孔。

在實驗中，科學家們首先在布魯克海文功能奈米材料中心(CFN)製造了不同厚度（50、100和300奈米）的薄膜。在CFN納米制造裝置中，進行了電子束蒸發，這是一種使用電子將所需材料凝聚到襯底上的沉積技術。

該設施的超清潔環境使研究人員能夠在大樣本區域內製作厚度均勻的金膜。PAL-XFEL在一定的鐳射功率範圍內，對這些薄膜進行了時間分辨X射線衍射。布魯克海文實驗室計算科學計劃工作人員開發的軟體對探測器收集衍射圖案影象時產生的TB級資料進行了高通量分析。

然後，研究小組使用哥倫比亞工程公司的科學家開發的軟體將這些影象轉換成線性圖形。曲線圖顯示出一個雙峰，對應於一個正在熔化的“熱”區域(中間峰)和一個相對“冷”的區域(晶體的其餘部分)，它還沒有接收到熔化的熱能，通過電子耦合，熱進入晶界，然後傳導到晶粒。這種對熱能的吸收，導致一條熔化物質帶夾在兩個移動的熔體前沿之間。隨著時間的推移，這個波段會變得更大。

一個熔融前沿位於固體和融化區域之間，另一個位於熔融和液體區域之間。下一步，研究小組計劃通過減小晶粒的尺寸（從而增加晶粒邊界的數量）來確認雙面模型，這樣它們就可以達到熔化過程的終點。

因為熔化是以相對較慢的速度（每秒30米）穿過晶體顆粒而發生的，所以穿越大顆粒所需的時間比儀器計時範圍（500皮秒）要長。同時研究人員還想看看其他金屬、合金（幾種金屬的混合物或一種金屬與其他元素的混合物），以及與催化相關的材料，在這些材料中，晶界參與了化學反應。

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax2445