Molekylär dynamiksimuleringar av en underkyld nickel-aluminiumlegering avslöjar att kristallliknande förbeställning och gränsytspänning är viktiga i kristallkärnbildning och tillväxt, vilket belyser ett kritiskt gap i klassisk kärnbildningsteori. Kredit:Hajime Tanaka från University of Tokyo
Kristallisering i vätskor är en grundläggande fasövergång. Medan förståelsen av kristallisation under många år styrdes av klassisk kärnbildningsteori, har nyare forskning flyttat fokus till icke-klassiska vägar i kristallisering. I en ny studie avslöjar forskare från Institute of Industrial Science, University of Tokyo, att kristallprekursorstrukturen, som bildas spontant som en strukturell fluktuation i en underkyld vätska, har en kritisk inverkan på kristallkärnbildning och tillväxt.
Kristallisering, bildning av homogena, ordnade fasta ämnen från vätskor, är en avgörande process inom en mängd olika områden, allt från atmosfärisk vetenskap till läkemedel till halvledartillverkning. Som sådan är en förståelse för kristallisation på molekylär nivå ett kritiskt forskningsområde med bred tillämpbarhet. I decennier har kristallisering förståtts i termer av klassisk kärnbildningsteori (CNT). CNT säger att mikroskopiska fasta ämnen (kärnor) bildas slumpmässigt och spontant från vätskan och börjar växa till en kristall när de överstiger en viss storlek. Nyare forskning på området har dock visat att CNT inte alltid är giltigt och att icke-klassiska vägar måste utforskas för att till fullo förstå fenomenet kristallisering.
Studier av de strukturella egenskaperna hos glasbildande vätskor (vätskor som bildar ett icke-kristallint, amorft "fast ämne" vid underkylning) har visat att, i motsats till förutsägelser av CNT, är kärnbildning inte slumpmässig. Istället induceras kristallkärnor i specifika förbeställda områden av den underkylda vätskan som har lokal orienteringssymmetri som överensstämmer med kristallen. Dessutom har nyligen genomförd forskning om snabb kristalltillväxt, som inte kan förutsägas av CNT, ställt tvivel om ett av de grundläggande antagandena för CNT - att kristalltillväxthastigheten är oberoende av gränsytspänningen (benägenheten hos en vätska att ha en minimal fri yta när i kontakt med en annan oblandbar vätska).
To address these questions about CNT, a research team from the Institute of Industrial Science, The University of Tokyo (UTokyo-IIS), delved into the role of preordering on crystal growth and nucleation. The research team consisted of Professor Emeritus Hajime Tanaka of the Research Center for Advanced Science and Technology, UTokyo (formerly from Utokyo-IIS) and Dr. Yuan-Chao Hu, Yale University (formerly from Utokyo-IIS). The study, published in Nature Communications , highlights critical shortcomings in CNT and proposes critical modifications to address them.
In this study, the research team performed extensive molecular dynamics (MD) simulations of a supercooled nickel-aluminum alloy (NiAl). "We found that NiAl follows a non-classical crystallization pathway and that structural fluctuations in the precursors of crystals dramatically influenced crystal growth," reveals Dr. Hu.
The research team then developed a novel "order-killing strategy" to suppress preordering. They found that the order-killing strategy successfully reduced crystallization rate over several orders of magnitude. "Preordering reduces interfacial energy," explains Prof. Tanaka. "Our findings indicate that preordering and its associated reduction in interfacial energy are critical to crystal nucleation and growth, which exposes an important gap in CNT."
The figure depicts (a) the time-dependent fraction of crystallized atoms and their various structural orderings, indicating that crystal-like (here, bcc-like) preordering is a significant process in the growth of crystals. (b–d) show the different atomic configurations of the crystal at different times (t), indicating that preordering is transient and fluctuates in space, and that crystal nuclei are born from and grow from the crystal-like preordered regions. (c) highlights the critical nucleus in this condition. Credit:Hajime Tanaka from University of Tokyo
Prof. Tanaka and Dr. Hu then accounted for interfacial energy in their simulations by including an interfacial energy-related factor. They then evaluated the interfacial energy-related factor in eight different systems with different bonding types and crystal structures. "Our findings suggest that liquid preordering could be the most important contributor to crystallization kinetics and glass formation. This could have a significant ripple effect in both fundamental science and industrial applications," concludes Prof. Tanaka.
The findings of the study provide novel insights into crystallization kinetics. The implications of this study are sure to influence a wide-range of crystal-related applications, such as the control of silicon crystallization in the semi-conductor industry. + Utforska vidare
