科学家们一直致力于研究晶体生长成复杂形状的方式。晶体是一种重要的材料，从骨骼到贝壳，再到土壤和半导体材料，都含有晶体结构，但大部分材料的晶体结构形式是未知的。

现在，一个国际研究团队研究出自然界是如何利用各种方式来生长晶体的。该理论超越了经典的晶体生长理论（one-atom-at-a-time方式）。

该研究结果发表在《科学》上，并可以解释困然科学和技术界几十年的问题，如动物和植物是如何生长出与原来的晶体对称结构无关的矿物质形状的，为什么流动沉积物和地下水中很难去除某些污染物。

弗吉尼亚理工大学大学特聘教授，同时也是C.P.英里科学大学的教授Patricia Dove说道：“各种学科的研究人员都在研究无法用传统理论解释的骨骼和实验室生长的晶体。我们发现，晶体可以通过将粒子、纳米晶体、集群、滴状物组合起来，以形成复杂结构的物质。其实许多科学家已经了解了这些粒子生长为晶体的方式，但是面临的挑战是制定出一个可以解释这些方式的框架。”

经过15名地球化学、物理、生物、地球和材料科学家的努力，已经研究出了一些结果。他们在进行实验室实验、动物骨骼调查、土壤和河流研究以及计算机模拟后，了解了粒子的形成和附着过程。

该国际团队在伯克利进行了为期三天的研讨会，研讨会由美国能源部基本能源科学地球科学委员会办公室赞助。

如图所示为该国际研究小组展示的自然界如何使用各种方式进行晶体生长，此为分子动力学模拟显示的碳酸钙结晶的早期阶段中液状粒子的形成。

图片来源： Adam F. Wallace和David J. Carey。

能源太平洋西北国家实验室的材料科学家和物理学家James De Yoreo说：“结晶过程是各学科中的一种普遍现象，结晶过程的转变对物质的形成产生了深远的影响。此外，我们还在某些问题上达成了共识，例如，在未来致力于有价值潜力的结晶的研究。”

在动物和实验室系统里，晶体的形成从粒子开始。这些粒子可以是小分子、集群、液滴或者纳米晶体。这些粒子都处于能量不稳定状态，它们之间可以互相结合，也可以与周围的晶体以及其他表面结合。

例如，纳米晶体倾向于沿同一方向排列形成更大的晶体，就像乐高积木一样。相比之下，非晶结构体之间只是简单的聚合。这些原子在“浪潮”的趋势下，重新排列成单一的晶体。

该论文的作者说，要想理解使这些粒子移动和结合的动力，还需要进行很多的研究，这属于新的研究前沿。

该研究的通讯作者，同时也是国家科学院的一员Dove指出：“粒子的运动方式十分复杂，粒子可以形成传统的小面晶体，也可以形成完全意想不到的形状和化学成分。我们团队的研究结果显示，可以利用粒子方式来合成晶体，这是基于粒子间的热力学和动力学原理。”

通过研究壳状物、牙齿和骨骼，研究工作者了解了动物如何形成晶体结构，因此也将用更圆满的解释来描述自然界中形成的晶体。

该结果也应用于新材料的设计和新型矿物岩石结构的解释。

同样，也会使人们明白水环境管理和土壤环境管理中污染物运输和沉积的原因。

De Yoreo指出：“我们一直在研究结晶的方法，一方面我们可以解释在化学和生物环境中的自然结晶过程，另一方面我们也可以设计和控制合成晶体的生长。令人惊讶的是这种普遍存的粒子形成结晶的过程，该方式可以方便地创建出各种各样的晶体结构。”

新材料在线编译整理——翻译：陈琼   校正：摩天轮