Stirrer ind i krystalkugler for at fremme forståelsen af ​​krystaldannelse

Forskere ved University of Tokyo Institute of Industrial Science udførte simuleringer, der overvejede og negligerede hydrodynamiske interaktioner for at afgøre, om disse interaktioner forårsager den store uoverensstemmelse mellem eksperimentelle og beregnede nukleationshastigheder for hårde sfæriske kolloide systemer, som bruges til at modellere krystallisation. Holdet opnåede lignende nukleationshastigheder fra begge simuleringer, at præcisere, at hydrodynamiske interaktioner ikke kan forklare den uoverensstemmelse, der observeres mellem faktiske og simulerede nukleationshastigheder for hårdkuglesystemer.

Krystallisering er det fysiske fænomen for transformation af uordnede molekyler i en væske- eller gasfase til en stærkt ordnet fast krystal gennem to faser:nukleation og vækst. Krystallisering er meget vigtig inden for materialer og naturvidenskab, fordi det forekommer i en lang række materialer, herunder metaller, organiske forbindelser, og biologiske molekyler, så det er ønskeligt at forstå denne proces omfattende.

Kolloider bestående af hårde kugler suspenderet i en væske bruges ofte som et modelsystem til undersøgelse af krystallisering. I mange år, en stor uoverensstemmelse på op til ti størrelsesordener er blevet observeret mellem de beregningsmæssigt simulerede og eksperimentelt målte nukleationshastigheder for hårdkugle-kolloider. Denne uoverensstemmelse er typisk blevet forklaret ved, at simuleringerne ikke tager hensyn til hydrodynamiske interaktioner - interaktionerne mellem opløsningsmiddelmolekyler. Forskere ved University of Tokyo Institute of Industrial Science, universitetet i Oxford, og Sapienza -universitetet gik for nylig sammen for yderligere at undersøge denne forklaring på uoverensstemmelsen mellem faktiske og beregnede nukleationshastigheder.

Samarbejdet udviklede først en hårdkugle-kolloid model, der pålideligt kunne simulere den eksperimentelle termodynamiske adfærd af rigtige hårde kuglesystemer. Næste, de gennemførte simuleringer af krystallisering af modelsystemet, der overvejede og negligerede hydrodynamiske interaktioner for at tydeliggøre virkningen af ​​disse interaktioner på krystallisationsadfærd.

"Vi designede oprindeligt en simuleringsmodel, der nøjagtigt gengav den virkelige termodynamik i systemer med hård sfære, "siger studieforfatter Michio Tateno." Dette bekræftede modellens pålidelighed og egnethed til brug i yderligere simuleringer. "

Simuleringsresultaterne opnået ved hjælp af den udviklede model, der negligerer og overvejer hydrodynamiske interaktioner, afslørede, at hydrodynamiske interaktioner ikke havde indflydelse på nukleationshastighed, hvilket var i strid med den herskende konsensus. Nukleationshastigheder i forhold til andelen af ​​hårde kugler i systemet var de samme for beregninger både med og uden hydrodynamiske interaktioner og stemte også overens med resultater rapporteret af en anden forskningsgruppe.

"Vi udførte beregninger ved hjælp af den udviklede model med og uden at overveje hydrodynamiske interaktioner, "forklarer seniorforfatter Hajime Tanaka." De beregnede krystalnukleationshastigheder var ens i begge tilfælde, hvilket fik os til at konkludere, at hydrodynamiske interaktioner ikke forklarer de enormt forskellige nukleationshastigheder opnået eksperimentelt og teoretisk. "

Undersøgelsesteamets resultater illustrerede tydeligt, at hydrodynamiske interaktioner ikke er årsagen til den store uoverensstemmelse mellem eksperimentelle og simulerede nukleationshastigheder. Deres resultater fremmer vores forståelse af krystallisationsadfærd, men lader oprindelsen til denne store uoverensstemmelse uforklarlig.

Artiklen "Indflydelse af hydrodynamiske interaktioner på kolloid krystallisering" blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .