Hoewel verschillende eerdere studies de vorming van kristallen uit identieke deeltjes hebben onderzocht, de omstandigheden waaronder niet-uniforme deeltjes kristalliseren en de kristallen die het resultaat zijn van dit proces zijn nog steeds slecht begrepen. In een recente studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), onderzoekers van de Friedrich-Alexander Universiteit Erlangen-Nürnberg hebben interessante bevindingen verzameld over de vorming van complexe kristallen uit in grootte verspreide bollen.

identieke deeltjes, zoals atomen of colloïdale deeltjes die zijn gesynthetiseerd om op elkaar te lijken, waarvan bekend is dat ze een lage dispersiteit hebben. Dispersiteit is een maat voor de heterogeniteit van de grootte van deeltjes of moleculen in een mengsel.

Kristallisatie is een veel voorkomend verschijnsel bij identieke deeltjes, toch is het veel moeilijker te bereiken wanneer deeltjes verschillende groottes hebben (d.w.z. hoge dispersiteit). Zelfs nadat ze een syntheseproces hebben ondergaan, deeltjes vertonen vaak een aanzienlijke dispersiteit, vooral als het syntheseproces niet zorgvuldig wordt gecontroleerd.

"Ons onderzoek toont aan dat spreiding, terwijl het de kristallisatie remt, verbiedt het niet helemaal, "Michael Engel, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In plaats daarvan, nieuwe soorten kristallen verschijnen via een proces dat fractionele kristallisatie wordt genoemd. Fractionele kristallisatie heeft veel technologische toepassingen en relevantie in de geologie. Ons werk is het eerste dat de precieze aard van fractionele kristallisatie in de eenvoudigst mogelijke deeltjes bevestigt, harde bollen, systematisch met behulp van geavanceerde statistische simulaties."

In hun studie hebben Engel en zijn collega's gebruikten geavanceerde computersimulaties om de beweging en herschikking van deeltjes in de loop van de tijd te modelleren. Terwijl je dit doet, ze gebruikten een speciale numerieke 'truc' om deeltjes met hun buren te verwisselen en de grootte ervan aan te passen, omdat dit het simulatieproces aanzienlijk kan versnellen.

"Vorige methoden gebruikten deze truc niet systematisch als een functie van de grootteverdeling en de dichtheid van het systeem, ’ legde Engel uit.

Engel en zijn collega's toonden aan dat harde bollen met een Gauss-straalverdeling en dispersiteit tot 19 procent altijd kristalliseren als ze langzaam genoeg worden samengedrukt. In aanvulling, ze merkten op dat deze kristallisatie op verrassend complexe manieren plaatsvindt.

"We kwamen erachter dat verspreide deeltjespopulaties met succes kristalliseren en hoe ze dat doen, " zei Engel. "In de praktijk, enige zachtheid van de deeltjes, lange tijden, en een concept genaamd dynamische dispersiteit (continue aanpassing van grootte, vorm of lading) is belangrijk om het kristallisatieproces te versnellen. In feite, sommige van onze voorspellingen zijn al eerder met succes gerapporteerd in experimentele systemen met atomen, nanodeeltjes met organische linkers, en zachte micellen (zoals nanoscopische zeepbellen)."

De studie van Engel en zijn collega's biedt waardevol nieuw inzicht in de vorming van complexe kristallen in harde bollen, waaruit blijkt onder welke omstandigheden het kan gebeuren. Hun waarnemingen suggereren ook dat er een verband zou kunnen zijn tussen disperse deeltjessystemen en legeringen, dat zijn metalen die zijn gemaakt door twee of meer metalen elementen met elkaar te combineren.

"Onze resultaten duiden op een nauw verband tussen disperse deeltjessystemen en legeringen, omdat de complexe kristallen (Laves-fasen en andere Frank-Kasper-fasen) die we hebben waargenomen, traditioneel bekend zijn in legeringen.' Engel zei. 'In de toekomst zullen de simulatietechnieken die we hebben ontwikkeld, kunnen worden toegepast op andere mengsels van deeltjes die technologisch relevant zijn."

© 2019 Wetenschap X Netwerk