Написано AZoNano 23 декабря 2019 года

Кристаллизацию можно описать как физическое явление, при котором неупорядоченные молекулы в газовой или жидкой фазе превращаются в высокоупорядоченный твердый кристалл с помощью двух стадий – зародышеобразования и роста.

Кристаллизация является очень важным процессом в естественных науках и материалах, потому что она происходит в широком спектре материалов, таких как органические соединения, металлы и биологические молекулы. Следовательно, кристаллизация должна быть полностью понята.

Для анализа кристаллизации в качестве модельной системы обычно используют коллоиды, содержащие твердые сферы, взвешенные в жидкости. В течение нескольких лет наблюдалось огромное изменение до 10 порядков между экспериментально измеренными и смоделированными в вычислительном отношении скоростями нуклеации коллоидов в твердой сфере.

Это изменение обычно объясняется моделированием без учета гидродинамических взаимодействий, то есть взаимодействий, которые происходят между молекулами растворителя. Ученые из Института промышленных наук Токийского университета, Университета Сапиенца и Оксфордского университета в настоящее время сотрудничают, чтобы дополнительно исследовать это объяснение различия между расчетными и реальными скоростями нуклеации.

Первоначально, исследователи создали коллоидную модель твердой сферы, которая может последовательно копировать экспериментальное термодинамическое поведение истинных систем твердой сферы. Впоследствии они моделировали кристаллизацию модельной системы, рассматривая и игнорируя гидродинамические взаимодействия, чтобы объяснить влияние этих взаимодействий на поведение кристаллизации.

Первоначально мы разработали имитационную модель, которая точно воспроизводила реальную термодинамику систем твердых сфер. Это подтвердило надежность и пригодность модели для использования в дальнейшем моделировании .

Мичио Татено, ведущий автор исследования, Институт промышленных наук, Токийский университет

Результаты моделирования, достигнутые с использованием разработанной модели с учетом и игнорированием гидродинамических взаимодействий, показали, что эти взаимодействия не влияют на скорость нуклеации, в отличие от существующего соглашения.

Графики скорости нуклеации в зависимости от доли твердых сфер в системе оказались идентичными для расчетов как с гидродинамическими взаимодействиями, так и без них. Эти графики также коррелировали с результатами, изложенными другой группой исследователей.

Мы провели расчеты с использованием разработанной модели с учетом и без учета гидродинамических взаимодействий . Рассчитанные скорости зародышеобразования кристаллов были одинаковыми в обоих случаях, что привело нас к заключению, что гидродинамические взаимодействия не объясняют чрезвычайно разные скорости нуклеации, полученные экспериментально и теоретически .

Хаджиме Танака, старший автор исследования, Институт промышленных наук, Токийский университет

Выводы исследовательской группы четко продемонстрировали, что гидродинамические взаимодействия не являются источником огромного различия, которое существует между моделируемой и экспериментальной скоростями нуклеации. Хотя результаты исследования обеспечивают лучшее понимание поведения кристаллизации, они не объясняют происхождение этого огромного изменения.

Статья под названием «Влияние гидродинамических взаимодействий на коллоидную кристаллизацию» была опубликована в журнале Physical Review Letters .

Источник: https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/en/