Forskere udvikler en ny tilgang til at forudsige, hvordan væsker fryser

Forskere fra Queen Mary University of London har udviklet en ny beregningsmetode til bedre at forstå frysning i forskellige typer væsker.

Processen med at fryse, hvor en væske bliver til et fast stof, er ikke så simpelt som det kan se ud. Mange stoffer, inklusive vand og voks, har flere faste tilstande som følge af forskelle i arrangementet af deres atomer og molekyler. Imidlertid, Det kan være svært at udføre eksperimenter for at visualisere de nøjagtige molekylære arrangementer, og hvordan de transformerer mellem tilstande.

I løbet af de sidste par årtier er beregningsmodeller i stigende grad blevet brugt til at supplere eksperimentelle undersøgelser, at bringe ny molekylær indsigt i egenskaberne af gas og flydende tilstande samt overgange mellem dem (f.eks. fordampning).

Men tættere faser er stadig en udfordring, og kompleksiteten af ​​de frysende væsker til faste stoffer har undgået de fleste metoder, især hvor der er mere end et muligt solidt arrangement.

I undersøgelsen, offentliggjort i Journal of Physical Chemistry B , forskerne udviklede nye beregningsmetoder til at studere voks, som er kendt for at have flere frosne arrangementer. Ved hjælp af deres metode var de i stand til at forudsige dets smeltepunkt inden for 2°C fra den eksperimentelle værdi.

Sammenligning af ydeevne

Når de sammenlignede disse metoders ydeevne med de fleste eksisterende beregningsteknikker, de viste, at deres modelleringstilgang gav et mere realistisk billede af, hvad der sker, når væsker fryser, og de kunne endda forudsige nogle af de mere 'eksotiske' krystalstrukturer, der dannes under denne proces.

Dr. Stephen Burrows, Postdoktoral forskningsassistent hos Queen Mary, sagde:"Fast alkaner er usædvanlige, fordi molekylerne har en overraskende stor frihed. Hvis du tager udgangspunkt i en perfekt krystal og øger temperaturen, molekylerne får pludselig evnen til at rotere, med en bevægelse, der ligner en urolig sovende, der kaster og drejer sig i sengen."

"Vi har testet de mest udbredte metoder til at simulere disse 'rotator' faser, fandt ud af, at Williams-modellen fra 1960'erne var forud for sin tid. Oprindeligt upraktisk på grund af mangel på regnekraft, det kan nu gennemgå en renæssance for moderne simulering af molekylær dynamik. Med vores nyoptimerede model, vi sigter mod at studere rotatorfasen af ​​hexadecan, findes i olie, hvilket er svært at observere eksperimentelt på grund af dets ustabile natur."

Ansøgninger fra den virkelige verden

Som voks, olier som diesel kan også fryse i mange stadier og udvise forskellige faste egenskaber. Derfor, metoder til at forudsige de molekylære og atomare forviklinger af væskeovergange til forskellige typer 'faste' olier kunne have flere potentielle anvendelser i den virkelige verden, fra at hjælpe bedre med at forudsige frysning af olierørledninger (og forhindre olieudslip), til at udvikle bedre smart isolering og energilagring.

At forstå faste overgange i voks kan også føre til lettere, stærkere end stål polymerer, og hjælpe forskere med at forbedre forståelsen af ​​nyopdagede processer som kunstig morfogenese. Disse kunne muliggøre grønnere fremstillingsprocesser, så vi kunne 'dyrke' stof som det ses i naturen, reducerer side- eller affaldsprodukter.

Dr. Stoyan Smoukov, Læser i Kemiteknik ved Queen Mary, sagde:"At være i stand til at forudsige transformationsadfærden af ​​olier ville hjælpe os i vores søgen efter at udvikle bæredygtige fremstillingsprocesser for fremtiden. Sædvanlig litografisk mikrofabrikation er som skulptur, skære/mejsling væk fra en plade af marmor, genererer meget affald. I vores nuværende bevilling bruger vi nye processer til selv at forme dråber og bruge næsten 100 % af udgangsmaterialet til bogstaveligt talt at dyrke formede partikler."

"Processen er meget skalerbar, da hver dråbe former sig selv på grund af interne faseovergange. Effektiv produktion af sådanne partikler kan revolutionere industrier fra inkjet-print til lægemiddellevering. Og de modelleringsværktøjer, vi har udviklet, vil hjælpe os med at tune denne kontrol på molekylær skala ."