Sneeuw valt in de winter en smelt in de lente, maar wat drijft de faseverandering daartussenin?

Hoewel smelten een bekend fenomeen is dat we in het dagelijks leven tegenkomen, een rol spelen in vele industriële en commerciële processen, op een fundamenteel niveau valt er nog veel te ontdekken over deze transformatie.

anno 2015, een team onder leiding van Sharon Glotzer van de Universiteit van Michigan gebruikte high-performance computing in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy (DOE's) om smelten in tweedimensionale (2-D) systemen te bestuderen, een probleem dat inzichten zou kunnen opleveren in oppervlakte-interacties in materialen die belangrijk zijn voor technologieën zoals zonnepanelen, evenals in het mechanisme achter driedimensionaal smelten. Het team onderzocht hoe de vorm van deeltjes de fysica van een overgang van vast naar vloeibaar in twee dimensies beïnvloedt.

Met behulp van de Cray XK7 Titan-supercomputer bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, het werk van het team onthulde dat de vorm en symmetrie van deeltjes het smeltproces dramatisch kunnen beïnvloeden. Deze fundamentele bevinding zou onderzoekers kunnen helpen bij het zoeken naar nanodeeltjes met gewenste eigenschappen voor energietoepassingen.

Om het probleem aan te pakken, Het team van Glotzer had een supercomputer nodig die systemen van maximaal 1 miljoen harde polygonen kan simuleren, eenvoudige deeltjes die worden gebruikt als vervanging voor atomen, variërend van driehoeken tot 14-zijdige vormen. In tegenstelling tot traditionele moleculaire dynamica-simulaties die proberen de natuur na te bootsen, harde polygoonsimulaties geven onderzoekers een uitgeklede omgeving om door vorm beïnvloede fysica te evalueren.

"Binnen onze gesimuleerde 2D-omgeving, we ontdekten dat de smelttransitie een van de drie verschillende scenario's volgt, afhankelijk van de vorm van de polygonen van het systeem, Onderzoekswetenschapper Joshua Anderson van de Universiteit van Michigan zei. we ontdekten dat systemen bestaande uit zeshoeken perfect een bekende theorie voor 2D-smelten volgen, iets dat tot nu toe niet is beschreven."

Scenario's met verschuivende vormen

In 3D-systemen zoals een dunner wordende ijspegel, smelten neemt de vorm aan van een eerste-orde faseovergang. Dit betekent dat verzamelingen van moleculen in deze systemen bestaan ​​in vaste of vloeibare vorm zonder tussenliggende in de aanwezigheid van latente warmte, de energie die een faseverandering van vast naar vloeibaar voedt. In 2D-systemen, zoals dunnefilmmaterialen die worden gebruikt in batterijen en andere technologieën, smelten kan complexer zijn, soms vertonen ze een tussenfase die bekend staat als de hexatische fase.

De hexatische fase, een toestand die wordt gekenmerkt als een halverwege tussen een geordende vaste en een ongeordende vloeistof, werd voor het eerst in de jaren zeventig getheoretiseerd door onderzoekers John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, en Peter Jong. De fase is een hoofdkenmerk van de KTHNY-theorie, een 2D-smelttheorie van de onderzoekers (en genoemd op basis van de eerste letters van hun achternaam). In 2016 ontvingen Kosterlitz en Thouless de Nobelprijs voor de Natuurkunde, samen met natuurkundige Duncan Haldane, voor hun bijdragen aan 2-D materiaalonderzoek.

Op moleculair niveau, stevig, hexatisch, en vloeibare systemen worden gedefinieerd door de rangschikking van hun atomen. In een kristallijne vaste stof, twee soorten orde zijn aanwezig:translationeel en oriënterend. Translationele volgorde beschrijft de goed gedefinieerde paden tussen atomen over afstanden, als blokken in een zorgvuldig gebouwde Jenga-toren. Oriëntatievolgorde beschrijft de relationele en geclusterde volgorde die wordt gedeeld tussen atomen en groepen atomen over afstanden. Denk aan diezelfde Jenga-toren die na verschillende spelrondes scheef stond. De algemene vorm van de toren blijft, maar de volgorde is nu gefragmenteerd.

De hexatische fase heeft geen translationele volgorde, maar bezit een oriënterende volgorde. (Een vloeistof heeft geen translationele of oriëntatievolgorde maar vertoont een korteafstandsvolgorde, wat betekent dat elk atoom een ​​gemiddeld aantal buren in de buurt heeft, maar zonder voorspelbare volgorde.)

Het afleiden van de aanwezigheid van een hexatische fase vereist een computer van leiderschapsklasse die grote harde-deeltjessystemen kan berekenen. Glotzer's team kreeg toegang tot de 27 petaflop Titan van de OLCF via het programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), het uitvoeren van zijn GPU-versnelde HOOMD-blauwe code om de tijd op de machine te maximaliseren.

Op Titaan, HOOMD-blue gebruikte 64 GPU's voor elke massaal parallelle Monte Carlo-simulatie van maximaal 1 miljoen deeltjes. Onderzoekers verkenden 11 verschillende vormsystemen, het uitoefenen van een externe druk om de deeltjes samen te duwen. Elk systeem werd gesimuleerd met 21 verschillende dichtheden, waarbij de laagste dichtheden een vloeibare toestand vertegenwoordigen en de hoogste dichtheden een vaste toestand.

De simulaties demonstreerden meerdere smeltscenario's die scharnieren op de vorm van de polygonen. Systemen met veelhoeken van zeven zijden of meer volgden het smeltgedrag van harde schijven, of cirkels, met een continue faseovergang van de vaste naar de hexatische fase en een eerste-orde faseovergang van de hexatische naar de vloeibare fase. Een continue faseovergang betekent een constant veranderend gebied in reactie op een veranderende externe druk. Een eerste-orde faseovergang wordt gekenmerkt door een discontinuïteit waarbij het volume over de faseovergang springt als reactie op de veranderende externe druk. Het team vond vijfhoeken en viervoudige pentilles, onregelmatige vijfhoeken met twee verschillende randlengtes, vertonen een eerste-orde vast-naar-vloeistof faseovergang.

De belangrijkste bevinding, echter, voortgekomen uit zeshoekige systemen, die perfect de faseovergang volgde die werd beschreven door de KTHNY-theorie. In dit scenario, de deeltjes verschuiven van vast naar hexatisch en hexatisch naar vloeibaar in een perfect continu faseovergangspatroon.

"Het was eigenlijk een beetje verrassend dat niemand anders dat tot nu toe heeft ontdekt, "Anders zei:"omdat het natuurlijk lijkt dat de zeshoek, met zijn zes kanten, en de honingraatachtige zeshoekige opstelling zou een perfecte match zijn voor deze theorie", waarin de hexatische fase over het algemeen een zesvoudige oriëntatievolgorde bevat.

Het Glotzer-team, die onlangs een INCITE-toewijzing voor 2017 ontving, past nu zijn leiderschapskwaliteiten toe om faseovergangen in 3D aan te pakken. Het team concentreert zich op hoe vloeibare deeltjes kristalliseren tot complexe colloïden - mengsels waarin deeltjes door een andere stof worden gesuspendeerd. Bekende voorbeelden van colloïden zijn melk, papier, mist, en glas in lood.

"We zijn van plan Titan te gebruiken om te onderzoeken hoe complexiteit kan ontstaan ​​uit deze eenvoudige interacties, en om dat te doen, gaan we kijken naar hoe de kristallen groeien en de kinetiek bestuderen van hoe dat gebeurt, ' zei Anderson.