Undersøgelse bekræfter den præcise karakter af fraktioneret krystallisation i hårde kugleblandinger

Selvom flere tidligere undersøgelser har undersøgt dannelsen af ​​krystaller fra identiske partikler, de betingelser, under hvilke ikke-ensartede partikler krystalliserer, og krystallerne som følge af denne proces, er stadig dårligt forstået. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), forskere ved Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg har samlet interessante fund om dannelsen af ​​komplekse krystaller fra størrelsesfordelte kugler.

Identiske partikler, såsom atomer eller kolloidale partikler, der syntetiseres til at ligne hinanden, vides at have lav spredning. Dispersitet er et mål for heterogeniteten af ​​størrelserne af partikler eller molekyler i en blanding.

Krystallisering er et meget almindeligt fænomen i identiske partikler, alligevel er det langt sværere at opnå, når partikler har forskellige størrelser (dvs. høj spredning). Selv efter at de har gennemgået en synteseproces, partikler udviser ofte betydelig dispergering, især hvis synteseprocessen ikke kontrolleres omhyggeligt.

"Vores forskning viser, at spredning, samtidig med at hæmning af krystallisation forbyder det ikke helt, "Michael Engel, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I stedet, nye typer krystaller vises via en proces kaldet fraktioneret krystallisation. Fraktioneret krystallisering har mange teknologiske anvendelser og relevans inden for geologi. Vores arbejde er det første til at bekræfte den præcise karakter af fraktioneret krystallisation i de enkleste partikler, hårde kugler, systematisk ved hjælp af avancerede statistiske simuleringer. "

I deres undersøgelse, Engel og hans kolleger brugte avancerede computersimuleringer til at modellere bevægelse og omlejring af partikler over tid. Mens du gør dette, de brugte et specielt numerisk 'trick' til at bytte partikler med deres naboer og ændre størrelsen på dem, da dette betydeligt kan fremskynde simuleringsprocessen.

"Tidligere metoder anvendte ikke dette trick systematisk som en funktion af størrelsesfordelingen og densiteten af ​​systemet, "Forklarede Engel.

Engel og hans kolleger demonstrerede, at hårde kugler med en gaussisk radiusfordeling og spredning op til 19 procent altid krystalliseres, hvis de komprimeres langsomt nok. Ud over, de observerede, at denne krystallisation forekommer på overraskende komplekse måder.

"Vi fandt ud af, at spredte partikelpopulationer krystalliserede med succes, og hvordan de gør det, "Sagde Engel." I praksis noget blødhed af partiklerne, lange tider, og et koncept kaldet dynamisk spredning (kontinuerlig justering af størrelse, form eller ladning) er vigtig for at fremskynde krystallisationsprocessen. Faktisk, nogle af vores forudsigelser er allerede blevet rapporteret med succes før i eksperimentelle systemer, der involverer atomer, nanopartikler med organiske linkere, og bløde miceller (som nanoskopiske sæbebobler). "

Undersøgelsen udført af Engel og hans kolleger giver værdifuld ny indsigt i dannelsen af ​​komplekse krystaller i hårde sfærer, viser under hvilke omstændigheder det kan forekomme. Deres observationer tyder også på, at der kan være en forbindelse mellem spredte partikelsystemer og legeringer, som er metaller fremstillet ved at kombinere to eller flere metalelementer sammen.

"Vores resultater antyder en tæt forbindelse mellem spredte partikelsystemer og legeringer, som de komplekse krystaller (Laves-faser og andre Frank-Kasper-faser), som vi observerede, traditionelt er velkendte i legeringer. "sagde Engel." I fremtiden, de simuleringsteknikker, vi udviklede, kunne anvendes på andre blandinger af partikler, der er teknologisk relevante. "

© 2019 Science X Network