Структурная флуктуация в переохлажденной жидкости оказывает решающее влияние на зарождение и рост кристаллов
Кристаллизация в жидкостях является фундаментальным фазовым переходом. В то время как в течение многих лет понимание кристаллизации определялось классической теорией нуклеации, недавние исследования сместили акцент на неклассические пути кристаллизации. В новом исследовании ученые из Института промышленных наук Токийского университета показывают, что структура предшественника кристалла, которая формируется спонтанно как структурная флуктуация в переохлажденной жидкости, оказывает решающее влияние на зарождение и рост кристаллов.
Моделирование молекулярной динамики переохлажденного сплава никель-алюминий показывает, что кристаллоподобный предварительный порядок и межфазное натяжение важны для зарождения и роста кристаллов, подчеркивая критический пробел в классической теории зародышеобразования. Фото: Хадзиме Танака из Токийского университета.
Кристаллизация, образование однородных упорядоченных твердых тел из жидкостей, является важным процессом в различных областях, от изучения атмосферы до фармацевтики и производства полупроводников. Таким образом, понимание кристаллизации на молекулярном уровнеявляется важной областью исследований с широким применением. В течение десятилетий кристаллизация понималась с точки зрения классической теории зародышеобразования (CNT). CNT утверждает, что микроскопические твердые тела (ядра) образуются случайным образом и спонтанно из жидкости и начинают расти в кристалл, как только они превышают определенный размер. Однако более поздние исследования в этой области показали, что CNT не всегда действительна и что необходимо изучить неклассические пути, чтобы полностью понять явление кристаллизации.
Исследования структурных свойств стеклообразующих жидкостей (жидкостей, образующих некристаллическое аморфное «твердое тело» при переохлаждении) показали, что, вопреки предсказаниям УНТ, зародышеобразование не является случайным. Вместо этого кристаллические зародыши индуцируются в определенных предварительно упорядоченных областях переохлажденной жидкости, которые имеют локальную ориентационную симметрию, соответствующую кристаллу. Более того, недавние исследования быстрого роста кристаллов, который нельзя предсказать с помощью УНТ, поставили под сомнение одно из фундаментальных предположений УНТ о том, что скорость роста кристаллов не зависит от межфазного натяжения (склонность жидкости иметь минимальную свободную поверхность, когда в контакте с другой несмешивающейся жидкостью).
Чтобы ответить на эти вопросы об УНТ, исследовательская группа из Института промышленных наук Токийского университета (UTokyo-IIS) изучила роль предварительного порядка в росте и зарождении кристаллов. Исследовательская группа состояла из почетного профессора Хадзиме Танака из Исследовательского центра передовых наук и технологий UTokyo (ранее из Utokyo-IIS) и доктора Юань-Чао Ху из Йельского университета (ранее из Utokyo-IIS). Исследование, опубликованное в Nature Communications , подчеркивает критические недостатки CNT и предлагает критические модификации для их устранения.
В этом исследовании исследовательская группа выполнила обширное моделирование молекулярной динамики (МД) переохлажденного никель-алюминиевого сплава (NiAl). «Мы обнаружили, что NiAl следует неклассическому пути кристаллизации и что структурные флуктуации в предшественниках кристаллов резко влияют на рост кристаллов», — рассказывает доктор Ху.
Затем исследовательская группа разработала новую «стратегию уничтожения заказов», чтобы подавить предварительный заказ. Они обнаружили, что стратегия уничтожения порядка успешно снижает скорость кристаллизации на несколько порядков. «Предварительный заказ снижает межфазную энергию», — объясняет профессор Танака. «Наши результаты показывают, что предварительный порядок и связанное с ним снижение межфазной энергии имеют решающее значение для зарождения и роста кристаллов, что обнажает важный пробел в УНТ».
На рисунке показана (а) зависящая от времени доля кристаллизованных атомов и их различные структурные упорядочения, указывающие на то, что кристаллоподобное (здесь ОЦК-подобное) предварительное упорядочение является важным процессом в росте кристаллов. (b–d) показывают различные атомные конфигурации кристалла в разное время (t), указывая на то, что предварительный порядок является преходящим и флуктуирует в пространстве, и что зародыши кристалла рождаются и растут из кристаллоподобных предварительно упорядоченных областей. (c) выделяет критическое ядро в этом состоянии. Фото: Хадзиме Танака из Токийского университета.
Затем профессор Танака и доктор Ху учли межфазную энергию в своих симуляциях, включив в нее фактор, связанный с межфазной энергией. Затем они оценили фактор, связанный с межфазной энергией, в восьми различных системах с различными типами связи и кристаллическими структурами. «Наши результаты показывают, что предварительный порядок жидкости может быть самым важным фактором, влияющим на кинетику кристаллизации и образование стекла. Это может иметь значительный волновой эффект как в фундаментальной науке, так и в промышленных приложениях », — заключает профессор Танака.
Результаты исследования дают новое представление о кинетике кристаллизации. Последствия этого исследования, несомненно, повлияют на широкий спектр приложений, связанных с кристаллами, таких как контроль кристаллизации кремния в полупроводниковой промышленности.
