Группа исследователей из Пекинского технологического института и Чжэцзянского университета в Китае задает еще один вопрос: «Где в капле начинается кристаллизация воды или жидкого кремния??"Команда объясняет свои выводы на этой неделе в" Журнале химической физики "от AIP Publishing. Это интересная проблема, которая имеет решающее значение для понимания механизма кристаллизации наноразмерных тетраэдрических жидких капель, таких как вода и кремний.
В своей работе они использовали компьютерное моделирование, чтобы обнаружить, что волны плотности, похожие на рябь, заметно возбуждаются перед кристаллизацией жидких кремниевых капель и пленок из-за объемного расширения в замкнутой среде. Волнообразные флуктуации плотности создают волны, способствующие зарождению, что в конечном итоге приводит к неравномерному распределению вероятности зародышеобразования в каплях и пленках.
Эти результаты предполагают, что замерзание наноразмерных капель воды или кремниевой жидкости начинается на нескольких разных расстояниях от центра капли, что дает новое понимание давнего спора в области материалов и химической физики.
Исследовательская группа использовала моделирование молекулярной динамики для исследования замерзания наноразмерных кремниевых капель и пленок, метод, широко используемый для исследования микроскопических термодинамических и динамических процессов. При компьютерном моделировании событий кристаллизации короткое время моделирования затрудняет наблюдение. Для решения этой проблемы были предложены специальные методы моделирования, а именно алгоритмы выборки редких событий.
Но эти методы неизбежно исключают некоторые области зародышеобразования с высокой вероятностью в выборке траектории, начиная с одной конфигурации, поэтому команда использовала моделирование методом грубой силы и проанализировала массивные и независимые процессы кристаллизации. «Хотя метод является« грубым », он может точно отображать распределение ядер», – пояснил Юнцзюнь Лу, физик из Пекинского технологического института и Чжэцзянского университета. «Вот почему мы смогли наблюдать волнообразное распределение вероятности зародышеобразования, которое отсутствует в других исследованиях."
Проблемой для команды были большие затраты на расчеты. Для достижения достоверных распределений вероятности зародышеобразования в каплях и пленках требуется массивная статистическая выборка, требующая более 6 месяцев процессорного времени.
Результаты этого исследования имеют далеко идущие последствия. «Мы можем распространить настоящие результаты на все тетраэдрические жидкости, включая воду, из-за их сходства в молекулярной структуре», – сказал Лу. «Это говорит о том, что окружающая среда на поверхности не играет решающей роли в образовании льда и снега, как ожидалось.
Колебания плотности внутри капель приводят к тому, что возможные области замерзания покрывают среднюю и поверхностную области, в зависимости от размера капли. Замерзание с поверхности или изнутри может быть случайным."
Следующие шаги исследовательской группы – моделирование кристаллизации воды в геометрическом ограниченном пространстве и в условиях высокого давления для изучения механизма замерзания воды в микротрещинах и микропорах породы. Углубление понимания замерзания капель воды значительно улучшит понимание его воздействия на планету и ее климат.