流體動力有多重要?無序的分子,轉變為固體結晶,就是個例子!

2021-01-22 博科園

東京大學工業科學研究所的研究人員進行了模擬，考慮和忽略了流體動力相互作用，以確定這些相互作用是否導致用於模擬結晶硬球膠體系統的實驗成核率和計算成核率之間觀察到的巨大差異。研究小組從兩個模擬中獲得了相似的成核率，澄清了流體動力相互作用，不能解釋觀察到的硬球系統實際成核率和模擬成核率之間的不匹配。

結晶是液相或氣相中的無序分子通過成核和生長兩個階段轉變為高度有序固體晶體的物理現象。結晶在材料和自然科學中非常重要，因為它存在於廣泛的材料中，包括金屬、有機化合物和生物分子，因此全面了解這一過程是很有必要的。由懸浮在液體中硬球組成的膠體，常被用作研究結晶的模型體系。多年來，硬球膠體成核速率的計算模擬與實驗測量之間存在著高達十個數量級的巨大差異。

這種差異通常是由於模擬沒有考慮流體動力相互作用造成的（溶劑分子之間的相互作用）。東京大學工業科學研究所、牛津大學和薩皮恩扎大學的研究人員現在聯合起來，進一步探索了這一解釋，以解釋實際成核率和計算成核率之間的差異。這次合作首先開發了一種硬球膠體模型，可以可靠地模擬真實硬球系統的實驗熱力學行為。接下來對模型體系的結晶進行了模擬，考慮和忽略了流體動力相互作用，以闡明這些相互作用對結晶行為的影響。

最初設計了一個模擬模型，準確地再現了硬球系統的真實熱力學，這證實了該模型在進一步模擬中的可靠性和適用性。忽略和考慮水動力相互作用的模擬結果表明，水動力相互作用並不影響成核速率，這與普遍的共識相反。對於有和沒有流體動力相互作用的計算，成核速率與體系中硬球比例的曲線是相同的，也與另一個研究小組報導的結果一致。

研究使用開發的模型進行了計算，有沒有考慮水動力相互作用，在這兩種情況下，計算出的結晶成核速率相似，這使研究人員得出結論：流體動力相互作用不能解釋從實驗和理論上獲得巨大差異的成核速率。研究清楚地表明，流體動力相互作用不是實驗和模擬成核率之間巨大差異的根源，結果進一步加深了我們對結晶行為的理解，但沒有解釋這種巨大差異的根源，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。

博科園｜研究/來自：東京大學 參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.258002博科園｜科學、科技、科研、科普

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