2019-04-12 19:20:01
研究证实了硬球混合物中分级结晶的精确性质

尽管过去的一些研究已经研究了由相同颗粒形成晶体,但是不均匀颗粒结晶的条件和由该方法得到的晶体仍然知之甚少。在最近发表于“物理评论快报”(PRL)的一项研究中,弗里德里希 - 亚历山大大学埃尔兰根 - 纽伦堡的研究人员收集了有关从大小分散球体形成复杂晶体的有趣发现。

已知相同的颗粒,例如原子或胶体颗粒彼此相似,具有低分散性。分散度是混合物中颗粒或分子大小的异质性的量度。

结晶在相同的颗粒中是非常普遍的现象,但是当颗粒具有不同的尺寸(即高分散性)时,结晶更难实现。即使在它们经历合成过程之后,颗粒通常表现出显着的分散性,特别是如果不仔细控制合成过程。

“我们的研究表明,分散性虽然抑制结晶,但并不完全禁止它,”开展这项研究的研究人员之一迈克尔·恩格尔告诉Phys.org。 “相反,新型晶体通过称为分级结晶的过程出现。分级结晶在地质学方面具有许多技术应用和相关性。我们的工作是第一个在最简单的颗粒中确认分数结晶的精确性质,硬球体,系统地使用先进的统计模拟。“

在他们的研究中,恩格尔和他的同事使用先进的计算机模拟来模拟粒子随时间的运动和重排。在这样做时,他们使用一种特殊的数字“技巧”来将粒子与其邻居交换并重新调整大小,因为这可以显着加快模拟过程。

“以前的方法没有系统地使用这种技巧作为尺寸分布和系统密度的函数,”恩格尔解释说。

恩格尔和他的同事证明,如果硬球足够缓慢地压缩,高斯半径分布和分散度高达19%的硬球总是会结晶。此外,他们观察到这种结晶以惊人的复杂方式发生。

“我们发现分散的粒子群成功地结晶,他们是如何做到的,”恩格尔说。 “在实践中,颗粒的一些柔软性,长时间以及称为动态分散性(连续调整尺寸,形状或电荷)的概念对于加速结晶过程非常重要。事实上,我们的一些预测已经成功报道在涉及原子,纳米粒子与有机连接体和软胶束(如纳米级肥皂泡)的实验系统之前。“

恩格尔及其同事进行的这项研究为硬球体中复杂晶体的形成提供了宝贵的新见解,展示了它可能发生的环境。他们的观察还表明,分散粒子系统和合金之间可能存在联系,合金是通过将两种或更多种金属元素组合在一起而制成的金属。

“我们的结果暗示了分散粒子系统和合金之间的紧密联系,因为我们观察到的复杂晶体(Laves相和其他Frank-Kasper相)在合金中是传统上众所周知的。”恩格尔说。 “将来,我们开发的模拟技术可以应用于其他技术相关的颗粒混合物。”

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