Onderzoekers van de Queen Mary University of London hebben een nieuwe computationele benadering ontwikkeld om bevriezing in verschillende soorten vloeistoffen beter te begrijpen.

Het proces van bevriezen, waar een vloeistof in een vaste stof verandert, is niet zo eenvoudig als het lijkt. Veel stoffen, inclusief water en was, hebben verschillende vaste toestanden als gevolg van verschillen in de rangschikking van hun atomen en moleculen. Echter, het uitvoeren van experimenten om de exacte moleculaire arrangementen te visualiseren en hoe ze tussen toestanden transformeren, kan moeilijk zijn.

In de afgelopen decennia zijn computationele modellen steeds meer gebruikt om experimentele studies aan te vullen, het brengen van nieuwe moleculaire inzichten in de eigenschappen van gas- en vloeistoftoestanden en de overgangen daartussen (bijvoorbeeld verdamping).

Dichtere fasen zijn echter nog steeds een uitdaging, en de complexiteit van het invriezen van vloeistoffen tot vaste stoffen is de meeste methoden ontgaan, vooral waar er meer dan één mogelijke vaste opstelling is.

In de studie, gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry B , de wetenschappers ontwikkelden nieuwe computationele benaderingen om was te bestuderen, waarvan bekend is dat deze meerdere bevroren arrangementen heeft. Met behulp van hun methode waren ze in staat om het smeltpunt binnen 2 ° C van de experimentele waarde te voorspellen.

Prestaties vergelijken

Toen ze de prestaties van deze methoden vergeleken met de meeste bestaande computationele technieken, ze toonden aan dat hun modelleringsaanpak een realistischer beeld gaf van wat er gebeurt als vloeistoffen bevriezen en zelfs enkele van de meer 'exotische' kristalstructuren die tijdens dit proces worden gevormd, konden voorspellen.

Dr. Stephen Burrows, Postdoctoraal onderzoeksassistent bij Queen Mary, zei:"Vaste alkanen zijn ongebruikelijk omdat de moleculen verrassend veel vrijheid hebben. Als je uitgaat van een perfect kristal en de temperatuur verhoogt, de moleculen krijgen plotseling het vermogen om te roteren, met een beweging die lijkt op een rusteloze slaper die woelt en draait in bed."

"We hebben de meest gebruikte methoden getest om deze 'rotator'-fasen te simuleren, vond dat het Williams-model uit de jaren zestig zijn tijd ver vooruit was. Aanvankelijk onpraktisch vanwege een gebrek aan rekenkracht, het kan nu een renaissance ondergaan voor moderne simulatie van moleculaire dynamica. Met ons nieuw geoptimaliseerde model, we willen de rotatorfase van hexadecaan bestuderen, gevonden in olie, dat is moeilijk experimenteel waar te nemen vanwege de onstabiele aard."

Toepassingen in de echte wereld

Zoals wassen, oliën zoals dieselbrandstof kunnen ook in veel stadia bevriezen en verschillende vaste eigenschappen vertonen. Daarom, methoden om de moleculaire en atomaire complexiteit van vloeibare overgangen naar verschillende soorten 'vaste' oliën te voorspellen, kunnen verschillende potentiële toepassingen in de echte wereld hebben, van het helpen beter voorspellen van bevriezing van oliepijpleidingen (en het voorkomen van olielozingen), om betere slimme isolatie en energieopslag te ontwikkelen.

Het begrijpen van vaste overgangen in was kan ook leiden tot lichtere, sterker-dan-staal polymeren, en onderzoekers helpen om het begrip van nieuw ontdekte processen zoals kunstmatige morfogenese te verbeteren. Deze kunnen groenere productieprocessen mogelijk maken, zodat we materie kunnen 'groeien' zoals die in de natuur wordt gezien, het verminderen van neven- of afvalproducten.

Dr. Stoyan Smoukov, Lezer in Chemical Engineering aan Queen Mary, zei:"In staat zijn om het transformatiegedrag van oliën te voorspellen, zou ons helpen bij onze zoektocht naar het ontwikkelen van duurzame productieprocessen voor de toekomst. Gebruikelijke lithografische microfabricage is als beeldhouwen, uit een stuk marmer snijden/beitelen, veel afval opleveren. In onze huidige subsidie ​​gebruiken we nieuwe processen om druppeltjes zelf te vormen en gebruiken we bijna 100% van het uitgangsmateriaal om letterlijk gevormde deeltjes te laten groeien."

"Het proces is zeer schaalbaar omdat elke druppel zichzelf vormt dankzij interne faseovergangen. Een efficiënte productie van dergelijke deeltjes kan een revolutie teweegbrengen in industrieën, van inkjetprinten tot medicijnafgifte. En de modelleringstools die we hebben ontwikkeld, zullen ons helpen deze controle op moleculaire schaal af te stemmen ."