Кристаллизация - это физическое явление превращения неупорядоченных молекул в жидкой или газовой фазе в высокоупорядоченный твердый кристалл через две стадии: зарождение и рост. Кристаллизация очень важна в материаловедении и естественных науках, поскольку она происходит в широком диапазоне материалов, включая металлы, органические соединения и биологические молекулы, поэтому желательно всесторонне понять этот процесс.
Коллоиды, состоящие из твердых сфер, взвешенных в жидкости, часто используются в качестве модельной системы для изучения кристаллизации. В течение многих лет наблюдалось большое расхождение до десяти порядков между смоделированными расчетами и экспериментально измеренными скоростями зарождения коллоидов твердых сфер. Это несоответствие обычно объяснялось тем, что при моделировании не учитывались гидродинамические взаимодействия - взаимодействия между молекулами растворителя. Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета, Оксфордского университета и Университета Сапиенца недавно объединились для дальнейшего изучения этого объяснения несоответствия между фактическими и расчетными скоростями нуклеации.
Сотрудничество впервые разработало коллоидную модель твердых сфер, которая могла надежно имитировать экспериментальное термодинамическое поведение реальных систем твердых сфер. Затем они провели моделирование кристаллизации модельной системы с учетом и без учета гидродинамических взаимодействий, чтобы выяснить влияние этих взаимодействий на характер кристаллизации.
«Мы изначально разработали имитационную модель, которая точно воспроизводила реальную термодинамику систем твердых сфер», - говорит ведущий автор исследования Мичио Татено. «Это подтвердило надежность и пригодность модели для дальнейшего моделирования».
Результаты моделирования, полученные с использованием разработанной модели без учета и без учета гидродинамических взаимодействий, показали, что гидродинамические взаимодействия не влияют на скорость нуклеации, что противоречит общепринятому мнению. Графики скорости зарождения в зависимости от доли твердых сфер в системе были одинаковыми для расчетов как с гидродинамическими взаимодействиями, так и без них, а также согласовывались с результатами, полученными другой исследовательской группой.
«Мы провели расчеты с использованием разработанной модели с учетом и без учета гидродинамических взаимодействий», - объясняет старший автор Хадзиме Танака. «Расчетные скорости зарождения кристаллов были одинаковыми в обоих случаях, что привело нас к выводу, что гидродинамические взаимодействия не объясняют огромные различия в скоростях зарождения, полученные экспериментально и теоретически».
Выводы исследовательской группы ясно продемонстрировали, что гидродинамические взаимодействия не являются причиной большого расхождения между экспериментальной и смоделированной скоростями нуклеации. Их результаты расширяют наше понимание поведения кристаллизации, но оставляют без объяснения причину этого большого расхождения.
Статья "Влияние гидродинамических взаимодействий на коллоидную кристаллизацию" опубликована в Physical Review Letters.