La cristallizzazione nei liquidi è una transizione di fase fondamentale. Mentre per molti anni la comprensione della cristallizzazione è stata governata dalla teoria della nucleazione classica, la ricerca recente ha spostato l'attenzione su percorsi non classici nella cristallizzazione. In un nuovo studio, gli scienziati dell'Istituto di Scienze Industriali dell'Università di Tokyo rivelano che la struttura del precursore cristallino, che si forma spontaneamente come fluttuazione strutturale in un liquido superraffreddato, ha un impatto critico sulla nucleazione e sulla crescita dei cristalli.

La cristallizzazione, la formazione di solidi omogenei e ordinati dai liquidi, è un processo cruciale in una varietà di campi, che vanno dalla scienza dell'atmosfera ai prodotti farmaceutici alla produzione di semiconduttori. In quanto tale, la comprensione della cristallizzazione a livello molecolare è un'area di ricerca critica con ampia applicabilità. Per decenni, la cristallizzazione è stata intesa in termini di teoria della nucleazione classica (CNT). CNT afferma che i solidi microscopici (nuclei) si formano casualmente e spontaneamente dal liquido e iniziano a crescere in un cristallo una volta che superano una certa dimensione. Tuttavia, ricerche più recenti nel campo hanno dimostrato che il CNT non è sempre valido e che è necessario esplorare percorsi non classici per comprendere appieno il fenomeno della cristallizzazione.

Studi sulle proprietà strutturali dei liquidi che formano il vetro (liquidi che formano un "solido" non cristallino e amorfo durante il superraffreddamento) hanno dimostrato che, contrariamente alle previsioni del CNT, la nucleazione non è casuale. Invece, i nuclei di cristallo sono indotti in specifiche regioni preordinate del liquido superraffreddato che hanno una simmetria orientativa locale che è coerente con il cristallo. Inoltre, una recente ricerca sulla crescita rapida dei cristalli, che non può essere prevista dalla CNT, ha messo in dubbio uno dei presupposti fondamentali della CNT:il tasso di crescita dei cristalli è indipendente dalla tensione interfacciale (la propensione di un liquido ad avere una superficie libera minima quando a contatto con un altro liquido immiscibile).

Per rispondere a queste domande sulla CNT, un gruppo di ricerca dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo (UTokyo-IIS), ha approfondito il ruolo del preordine sulla crescita e la nucleazione dei cristalli. 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. + Esplora ulteriormente

Liquid-liquid transitions crystallize new ideas for molecular liquids