Kristallisatie in vloeistoffen is een fundamentele faseovergang. Terwijl het begrip van kristallisatie jarenlang werd bepaald door de klassieke nucleatietheorie, heeft recent onderzoek de focus verlegd naar niet-klassieke routes in kristallisatie. In een nieuwe studie onthullen wetenschappers van het Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, dat de kristalprecursorstructuur, die zich spontaan vormt als een structurele fluctuatie in een onderkoelde vloeistof, een kritische invloed heeft op kristalkiemvorming en -groei.

Kristallisatie, de vorming van homogene, geordende vaste stoffen uit vloeistoffen, is een cruciaal proces op verschillende gebieden, variërend van atmosferische wetenschap tot farmaceutische producten tot de productie van halfgeleiders. Als zodanig is begrip van kristallisatie op moleculair niveau een kritisch onderzoeksgebied met brede toepasbaarheid. Al tientallen jaren wordt kristallisatie begrepen in termen van klassieke nucleatietheorie (CNT). CNT stelt dat microscopisch kleine vaste stoffen (kernen) zich willekeurig en spontaan uit de vloeistof vormen en beginnen te groeien tot een kristal zodra ze een bepaalde grootte overschrijden. Recenter onderzoek in het veld heeft echter aangetoond dat CNT niet altijd geldig is en dat niet-klassieke routes moeten worden onderzocht om het fenomeen van kristallisatie volledig te begrijpen.

Studies naar de structurele eigenschappen van glasvormende vloeistoffen (vloeistoffen die bij onderkoeling een niet-kristallijne, amorfe "vaste stof" vormen) hebben aangetoond dat, in tegenstelling tot de voorspellingen van CNT, kiemvorming niet willekeurig is. In plaats daarvan worden kristalkernen geïnduceerd in specifieke vooraf geordende gebieden van de onderkoelde vloeistof die lokale oriënterende symmetrie hebben die consistent is met het kristal. Bovendien heeft recent onderzoek naar snelle kristalgroei, dat niet kan worden voorspeld door CNT, twijfel doen rijzen over een van de fundamentele veronderstellingen van CNT:dat kristalgroeisnelheid onafhankelijk is van grensvlakspanning (de neiging van een vloeistof om een ​​minimaal vrij oppervlak te hebben wanneer in contact met een andere niet mengbare vloeistof).

Om deze vragen over CNT te beantwoorden, heeft een onderzoeksteam van het Institute of Industrial Science, The University of Tokyo (UTokyo-IIS), zich verdiept in de rol van pre-ordering op kristalgroei en nucleatie. The research team consisted of Professor Emeritus Hajime Tanaka of the Research Center for Advanced Science and Technology, UTokyo (formerly from Utokyo-IIS) and Dr. Yuan-Chao Hu, Yale University (formerly from Utokyo-IIS). The study, published in Nature Communications , highlights critical shortcomings in CNT and proposes critical modifications to address them.

In this study, the research team performed extensive molecular dynamics (MD) simulations of a supercooled nickel-aluminum alloy (NiAl). "We found that NiAl follows a non-classical crystallization pathway and that structural fluctuations in the precursors of crystals dramatically influenced crystal growth," reveals Dr. Hu.

The research team then developed a novel "order-killing strategy" to suppress preordering. They found that the order-killing strategy successfully reduced crystallization rate over several orders of magnitude. "Preordering reduces interfacial energy," explains Prof. Tanaka. "Our findings indicate that preordering and its associated reduction in interfacial energy are critical to crystal nucleation and growth, which exposes an important gap in CNT."

Prof. Tanaka and Dr. Hu then accounted for interfacial energy in their simulations by including an interfacial energy-related factor. They then evaluated the interfacial energy-related factor in eight different systems with different bonding types and crystal structures. "Our findings suggest that liquid preordering could be the most important contributor to crystallization kinetics and glass formation. This could have a significant ripple effect in both fundamental science and industrial applications," concludes Prof. Tanaka.

The findings of the study provide novel insights into crystallization kinetics. The implications of this study are sure to influence a wide-range of crystal-related applications, such as the control of silicon crystallization in the semi-conductor industry. + Verder verkennen

Liquid-liquid transitions crystallize new ideas for molecular liquids