Modelleringsmorfologi:Overgange i fast-fast fase baseret på ændringer i kolloidale partikler

(Phys.org) - faseovergange er transformationer, der opstår mellem materielle tilstande - det vil sige, mellem fast, væske, gas, og mindre almindeligt mellem gas og plasma. Det, der kan være overraskende, er, at faste-faste faseovergange, som er afgørende i metallurgi, keramik, jord videnskab, rekonfigurerbare materialer, og kolloidt stof, er mest almindelige. (Eksempler på fast-fast fase-overgange omfatter transformationer mellem de tre primære krystallinske tilstande af rent jern og selvorganiserende anisotrope kolloide suspensioner-det vil sige, kolloide suspensioner med forskellige egenskaber langs forskellige akser.) På trods af deres allestedsnærværende, imidlertid, højtryks- og/eller høj temperatur-sammenhænge og behovet for at anvende billedbehandlingsteknologi med høj opløsning har gjort undersøgelse af mellem-transformationstilstande i solid-solid fase-overgang betydeligt udfordrende. For nylig, forskere ved University of Michigan har udtænkt computermodeller, der viser fast-faste faseovergange baseret på ændringer i kolloidpartikelform som kontrolvariabel, rapportering af både diskontinuerlige og kontinuerlige overgange (dvs. dem, der kræver og ikke kræver termisk aktivering, henholdsvis). Forskerne oplyser, at ved at etablere en ny metode til undersøgelse af faste -faste faseovergange, deres modeller understøtter muligvis design og fremstilling af rekonfigurerbare kolloide materialer.

Doktorand Chrisy Xiyu Du og prof. Greg van Anders diskuterede papiret om, at de, Dr. Richmond S. Newman, og professor Sharon C. Glotzer, og deres medforfattere offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences med Phys.org . Beskrivelse af de største udfordringer ved at designe modeller, der fanger fast-fast fase overgangstermodynamik og bestemmer, at en termisk aktiveringsbarriere ikke er universelt påkrævet i fast-fast overgange, van Anders fortæller Phys.org at "Solid-solid-overgange har været vigtige inden for teknologi i tusinder af år-faktisk siden begyndelsen af ​​jernalderen - og er også vigtige i geologiske processer. I øvrigt, "tilføjer han, "det symmetribrudsmønster, der findes i faste stoffer, betyder, at disse overgange ikke kun er teknologisk vigtige, men at der er mange af dem. Problemet med at forstå overgangene er, at de typisk sker under ekstreme forhold (høj temperatur eller tryk), hvilket gør dem svære at studere. "

Inden deres studie, Du siger, intet andet papir har foretaget en grundig undersøgelse af termodynamikken for eventuelle kolloidale fast-faste overgange. "Dette tomrum i viden betød, at uanset de resultater, vi fandt, vi var nødt til at udføre tilstrækkelig validering til at overbevise os selv om, at vi ikke observerede artefakter fra vores simuleringer. "Hun tilføjer, at anisotrope kolloidale nanopartikler er perfekte byggesten til selvsamling af krystalstruktur-og forskere har eksperimentelt været i stand til selv at samle disse nanopartikler til kolloide krystalstrukturer, der spænder fra den grundlæggende og allestedsnærværende ansigtscentrerede kubiske fase til komplicerede faser, såsom klatrater.

En anden udfordring var at finde ordreparametre, der havde passende signal-til-støj-adfærd-en særlig bekymring, van Anders påpeger, fordi de undersøgte systemer er entropisk stabiliseret (dvs. termiske udsving er fundamentalt impliceret i systemadfærd, men kan komplicere ordreparametermålinger). "At balancere disse effekter og kontrollere, at den adfærd, vi observerede, ikke var en artefakt af vores parametrering krævede en betydelig indsats."

Du bemærker, at mens man studerer termodynamikken i to stabile faser individuelt er ligetil, samtidige sammenligninger er vanskelige. "På grund af den korte tidsplan og den lave sandsynlighed for, at systemet er i en overgangstilstand, vi var nødt til at anvende bias -kræfter for at studere det. Ud over at finde den rigtige ordreparameter til at skelne mellem forskellige krystalfaser - en udfordring i sig selv - justerede vi omhyggeligt styrken af ​​bias force samplingsintervaller for at reducere støj, og derved opnå en statistisk signifikant konklusion. "

Løsning af disse udfordringer, van Anders forklarer, involveret måling af ændringen i det nærmeste miljø for partikler før og efter overgangen, som normalt karakteriseres ved hjælp af koordinerings polyeder der giver en geometrisk opdeling af lokalmiljøerne. "Vi indså, at hvis vi kunne finde på systemer, hvor det er muligt direkte at manipulere koordineringspolyedrene, det kunne være muligt at have fast-faste overgange, der sker under mindre ekstreme forhold. At gøre dette, vi indså, at det i suspensioner af anisotropisk formede kolloidale nanopartikler er muligt at manipulere partikelformen, som igen kunne muliggøre kontrol af koordineringspolyederens form i krystallen. "Ændring af kolloidform giver mulighed for fast-faste overgange i simuleringer, der efterligner normale laboratorieforhold.

Du beskriver to nøgler, tidligere indsigt brugt i dette arbejde:entropi kan føre til orden, og partikelformer kan inkluderes som en termodynamisk variabel svarende til temperatur eller tryk. "I vores arbejde, vi kombinerede disse to indsigter og udvidede undersøgelsen af ​​faste-faste faseovergange til at omfatte byggestenegenskaber såsom form. Hvad angår tekniske vanskeligheder, vi søgte gennem litteraturen for at vælge en parameter i god orden for at skelne mellem forskellige krystalstrukturer, og tilpassede det derefter til vores behov. "Forskerne udvidede også NVT (eller kanonisk) statistisk ensemble-en konstant temperatur, ensemble med konstant volumen-i HOOMD-blå (et værktøjssæt til partikelsimulering til generelle formål) for bedre at reducere støj i deres simuleringer.

"Vores arbejde har to sæt implikationer, "fortæller van Anders Phys.org . "For det første, vi viste, at det er enkelt at konstruere minimale modeller af faste-faste overgange, der forekommer i systemer, der kan studeres i realtid, enkel, bordforsøg ved hjælp af optisk mikroskopi. Dette burde give os nye måder at få detaljeret indsigt i, hvordan solid-solid overgange sker. For det andet, vi demonstrerede, at fast-solide overgange drevet af formændring forekommer på tilstrækkeligt korte tidsskalaer, tillader dem at blive brugt til fremstilling af rekonfigurerbare materialer. "

Du fortæller Phys.org at i nogle tilfælde, med passende formændring, det er muligt at finde fast-faste overgange, der forekommer på Monte Carlo-simuleringstider, der er sammenlignelige med eller kortere end tidsskalaer til selvsamling af den relevante faste fase fra en tæt, uordnet væske. Dette fund, Du tilføjer, giver yderligere bevis på, at kolloidt stof giver en potentiel vej til udvikling af rekonfigurerbare materialer. "Med den seneste udvikling af formskiftende kolloide materialer, vores arbejde kan være en god teoretisk guide til eksperimentelle:Når de forsøger at bruge formskiftende partikler til at lave rekonfigurerbare materialer, vores arbejde kan potentielt forklare nogle af de faseadfærd, de kan observere. "

"Vores resultater giver også designkriterier til valg af partikelformer og deres transformationer for at opnå jævn kontra pludselig rekonfiguration, afhængigt af den påtænkte anvendelse, "tilføjer seniorforfatter prof. Sharon Glotzer." Desuden - og endnu mere spændende - forstår vi nu, hvordan vi omvendt designer partikelformer til specifikke, målrettet solid-solid overgange. "

Med hensyn til de næste trin, forskerne agter at forstå andre typer overgange end dem, der er rapporteret i dette papir. Hvad angår andre forskningsområder, der kan have gavn af deres undersøgelse, van Anders siger, at mulige anvendelser omfatter udvikling af rekonfigurerbare materialer, og større indsigt i faste-faste overgange i atomsystemer.

"Fokus for vores arbejde var på at få detaljeret forståelse af termodynamikken i de overgange, vi studerede, "slutter van Anders." Fremadrettet, evnen til at studere formdrevne fast-solide overgange med optisk mikroskopi åbner mulighed for at få meget detaljerede, oplysninger på partikelniveau om transformationskinetik. "

© 2017 Phys.org