Bestil op:Ny undersøgelse afslører betydningen af ​​flydende strukturel orden i krystallisation

Krystallisation i væsker er en fundamental faseovergang. Mens forståelsen af ​​krystallisation i mange år var styret af klassisk nukleationsteori, har nyere forskning flyttet fokus til ikke-klassiske veje i krystallisering. I en ny undersøgelse afslører forskere fra Institute of Industrial Science, University of Tokyo, at krystalprækursorstrukturen, som dannes spontant som en strukturel fluktuation i en underafkølet væske, har en kritisk indflydelse på krystalkernedannelse og vækst.

Krystallisering, dannelsen af ​​homogene, ordnede faste stoffer fra væsker, er en afgørende proces inden for en række forskellige områder, lige fra atmosfærisk videnskab til lægemidler til halvlederfremstilling. Som sådan er en forståelse af krystallisation på et molekylært niveau et kritisk forskningsområde med bred anvendelighed. I årtier er krystallisering blevet forstået ud fra klassisk nukleationsteori (CNT). CNT siger, at mikroskopiske faste stoffer (kerner) dannes tilfældigt og spontant fra væsken og begynder at vokse til en krystal, når de overstiger en vis størrelse. Nyere forskning på området har imidlertid vist, at CNT ikke altid er gyldig, og at ikke-klassiske veje skal udforskes for fuldt ud at forstå fænomenet krystallisering.

Undersøgelser af de strukturelle egenskaber af glasdannende væsker (væsker, der danner et ikke-krystallinsk, amorft "fast stof" ved underafkøling) har vist, at i modsætning til forudsigelser fra CNT er kernedannelse ikke tilfældig. I stedet induceres krystalkerner i specifikke forudbestilte områder af den underafkølede væske, der har lokal orienteringssymmetri, som er i overensstemmelse med krystallen. Desuden har nyere forskning i hurtig krystalvækst, som ikke kan forudsiges af CNT, sået tvivl om en af ​​CNTs grundlæggende antagelser - at krystalvæksthastigheden er uafhængig af grænsefladespændingen (en væskes tilbøjelighed til at have en minimum fri overflade, når i kontakt med en anden ikke-blandbar væske).

For at løse disse spørgsmål om CNT dykkede et forskerhold fra Institute of Industrial Science, University of Tokyo (UTokyo-IIS), ind i rollen som forudbestilling på krystalvækst og kernedannelse. The research team consisted of Professor Emeritus Hajime Tanaka of the Research Center for Advanced Science and Technology, UTokyo (formerly from Utokyo-IIS) and Dr. Yuan-Chao Hu, Yale University (formerly from Utokyo-IIS). The study, published in Nature Communications , highlights critical shortcomings in CNT and proposes critical modifications to address them.

In this study, the research team performed extensive molecular dynamics (MD) simulations of a supercooled nickel-aluminum alloy (NiAl). "We found that NiAl follows a non-classical crystallization pathway and that structural fluctuations in the precursors of crystals dramatically influenced crystal growth," reveals Dr. Hu.

The research team then developed a novel "order-killing strategy" to suppress preordering. They found that the order-killing strategy successfully reduced crystallization rate over several orders of magnitude. "Preordering reduces interfacial energy," explains Prof. Tanaka. "Our findings indicate that preordering and its associated reduction in interfacial energy are critical to crystal nucleation and growth, which exposes an important gap in CNT."

Prof. Tanaka and Dr. Hu then accounted for interfacial energy in their simulations by including an interfacial energy-related factor. They then evaluated the interfacial energy-related factor in eight different systems with different bonding types and crystal structures. "Our findings suggest that liquid preordering could be the most important contributor to crystallization kinetics and glass formation. This could have a significant ripple effect in both fundamental science and industrial applications," concludes Prof. Tanaka.

The findings of the study provide novel insights into crystallization kinetics. The implications of this study are sure to influence a wide-range of crystal-related applications, such as the control of silicon crystallization in the semi-conductor industry. + Udforsk yderligere

Liquid-liquid transitions crystallize new ideas for molecular liquids