Även om flera tidigare studier har undersökt bildandet av kristaller från identiska partiklar, de förhållanden under vilka icke-enhetliga partiklar kristalliseras och kristallerna som härrör från denna process är fortfarande dåligt förstådda. I en ny studie publicerad i Fysiska granskningsbrev ( PRL ), forskare vid Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg har samlat intressanta fynd om bildandet av komplexa kristaller från storleksspridna sfärer.

Identiska partiklar, såsom atomer eller kolloidala partiklar som syntetiseras för att likna varandra, är kända för att ha låg spridning. Dispersitet är ett mått på heterogeniteten hos storleken på partiklar eller molekyler i en blandning.

Kristallisering är ett mycket vanligt fenomen i identiska partiklar, men det är mycket svårare att uppnå när partiklar har olika storlekar (dvs hög spridning). Även efter att de genomgått en syntesprocess, partiklar uppvisar ofta betydande spridning, särskilt om syntesprocessen inte kontrolleras noggrant.

"Vår forskning visar att spridning, samtidigt som kristallisation hämmas, förbjuder det inte helt, "Michael Engel, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Istället, nya typer av kristaller uppträder via en process som kallas fraktionerad kristallisation. Fraktionell kristallisering har många tekniska tillämpningar och relevans inom geologi. Vårt arbete är det första som bekräftar fraktionskristallisationens exakta karaktär i de enklaste partiklarna, hårda sfärer, systematiskt med avancerade statistiska simuleringar. "

I deras studie, Engel och hans kollegor använde avancerade datasimuleringar för att modellera rörelse och omorganisation av partiklar över tid. Medan du gör detta, de använde ett speciellt numeriskt 'trick' för att byta partiklar med sina grannar och ändra storlek på dem, eftersom detta kan påskynda simuleringsprocessen avsevärt.

"Tidigare metoder använde inte detta trick systematiskt som en funktion av storleksfördelningen och systemets densitet, "Förklarade Engel.

Engel och hans kollegor visade att hårda sfärer med en gaussisk radiefördelning och spridning upp till 19 procent alltid kristalliseras om de komprimeras tillräckligt långsamt. Dessutom, de observerade att denna kristallisation sker på förvånansvärt komplexa sätt.

"Vi kom på att dispergerade partikelpopulationer kristalliseras framgångsrikt och hur de gör det, "Sa Engel." I praktiken lite mjukhet hos partiklarna, långa tider, och ett koncept som kallas dynamisk spridning (kontinuerlig justering av storlek, form eller laddning) är viktigt för att påskynda kristallisationsprocessen. Faktiskt, några av våra förutsägelser har redan framgångsrikt rapporterats tidigare i experimentella system som involverar atomer, nanopartiklar med organiska länkar, och mjuka miceller (som nanoskopiska såpbubblor). "

Studien utförd av Engel och hans kollegor ger värdefull ny inblick i bildandet av komplexa kristaller i hårda sfärer, visar under vilka omständigheter det kan inträffa. Deras observationer tyder också på att det kan finnas ett samband mellan spridda partikelsystem och legeringar, som är metaller gjorda genom att kombinera två eller flera metalliska element tillsammans.

"Våra resultat antyder ett nära samband mellan spridda partikelsystem och legeringar, som de komplexa kristaller (Laves-faser och andra Frank-Kasper-faser) som vi observerade är traditionellt välkända i legeringar. "Engel sa." I framtiden, de simuleringstekniker vi utvecklat kan appliceras på andra blandningar av partiklar som är tekniskt relevanta. "

© 2019 Science X Network