Forskare från Queen Mary University of London har utvecklat ett nytt beräkningssätt för att bättre förstå frysning i olika vätsketyper.

Processen att frysa, där en vätska förvandlas till ett fast ämne, är inte så enkelt som det kan verka. Många ämnen, inklusive vatten och vax, har flera fasta tillstånd som ett resultat av skillnader i arrangemanget av deras atomer och molekyler. Dock, att utföra experiment för att visualisera de exakta molekylära arrangemangen och hur de transformerar mellan tillstånd kan vara svårt.

Under de senaste decennierna har beräkningsmodeller alltmer använts för att komplettera experimentella studier, ger nya molekylära insikter om egenskaperna hos gas- och flytande tillstånd samt övergångarna mellan dem (t.ex. avdunstning).

Men tätare faser är fortfarande en utmaning, och komplexiteten hos de frysande vätskorna till fasta ämnen har undgått de flesta metoder, speciellt där det finns mer än ett möjligt fast arrangemang.

I studien, publicerad i Journal of Physical Chemistry B , forskarna utvecklade nya beräkningsmetoder för att studera vax, som är känt för att ha flera frysta arrangemang. Med deras metod kunde de förutsäga dess smältpunkt inom 2 ° C från experimentvärdet.

Jämför prestanda

När de jämförde dessa metoders prestanda med de flesta befintliga beräkningstekniker, de visade att deras modelleringsmetod gav en mer realistisk bild av vad som händer när vätskor fryser och till och med kunde förutsäga några av de mer "exotiska" kristallstrukturer som bildas under denna process.

Dr Stephen Burrows, Postdoktor vid Queen Mary, sa:"Fastiga alkaner är ovanliga eftersom molekylerna har en överraskande stor frihet. Om du utgår från en perfekt kristall och ökar temperaturen, molekylerna får plötsligt förmågan att rotera, med en rörelse som liknar en rastlös sovande som slänger och vänder sig i sängen. "

"Vi har testat de mest använda metoderna för att simulera dessa 'rotatorfaser', upptäckte att Williams-modellen från 1960-talet var före sin tid. Inledningsvis opraktisk på grund av brist på beräkningskraft, den kan nu genomgå en renässans för modern simulering av molekylär dynamik. Med vår nyligen optimerade modell, vi strävar efter att studera hexadekans rotatorfas, finns i olja, som är svår att observera experimentellt på grund av dess instabila natur."

Verkliga applikationer

Som vaxer, oljor som diesel kan också frysa i många stadier och uppvisa olika fasta egenskaper. Därför, metoder för att förutsäga de molekylära och atomära krångligheterna av flytande övergångar till olika typer av "fasta" oljor kan ha flera potentiella verkliga tillämpningar, från att bättre förutsäga frysning av oljeledningar (och förhindra oljeutsläpp), för att utveckla bättre smart isolering och energilagring.

Att förstå fasta övergångar i vax kan också leda till lättare, polymerer som är starkare än stål, och hjälpa forskare att förbättra förståelsen för nyupptäckta processer som artificiell morfogenes. Dessa kan möjliggöra grönare tillverkningsprocesser så att vi kan "odla" materia som den ses i naturen, minska biprodukter eller avfallsprodukter.

Dr Stoyan Smoukov, Läsare i kemiteknik på Queen Mary, sa:"Att kunna förutsäga omvandlingsbeteendet hos oljor skulle hjälpa oss i vår strävan att utveckla hållbara tillverkningsprocesser för framtiden. Vanlig litografisk mikrotillverkning är som skulptur, skära/mejsla bort från en marmorskiva, genererar mycket avfall. I vårt nuvarande anslag använder vi nya processer för att själva forma droppar och använder nästan 100 % av utgångsmaterialet för att bokstavligen odla formade partiklar."

"Processen är mycket skalbar eftersom varje droppe formar sig själv på grund av interna fasövergångar. Effektiv produktion av sådana partiklar kan revolutionera industrier från bläckstråleutskrift till läkemedelsleverans. Och de modelleringsverktyg vi har utvecklat kommer att hjälpa oss att justera denna kontroll på molekylär skala ."