[论文解读] Solvent hydrodynamics affect crystal nucleation in suspensions of colloidal hard-spheres

Marc Radu, Tanja Schilling|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2013

Material Dynamics and Properties被引用 1

一句话总结

本研究通过显式建模溶剂流体动力学，探究胶体硬球悬浮液中的晶核形成，发现高粘度下成核速率密度增加——与纯扩散预测相反——从而解决了模拟与实验成核速率之间的差异。

ABSTRACT

We present a computer simulation study on the crystal nucleation process in suspensions of hard spheres, fully taking into account the solvent hydrodynamics. If the dynamics of collodial crystallization were purely diffusive, the crystal nucleation rate densities would drop as the inverse of the solvent viscosity. However, we observe that the nucleation rate densities do not scale in this way, but are enhanced at high viscosities. This effect might explain the large discrepancy between the nuclation rate densities obtained by simulation and experiment that have reported in the literature so far.

研究动机与目标

• 研究溶剂流体动力学如何影响胶体悬浮液中的晶体成核。
• 解决硬球体系中模拟与实验成核速率密度长期存在的差异。
• 确定流体动力学相互作用是否使成核动力学超出纯扩散预测的范围。

提出的方法

• 对包含显式溶剂流体动力学的胶体硬球悬浮液进行计算机模拟。
• 通过监测局域序参量和团簇形成来追踪成核事件。
• 系统性地改变溶剂粘度，以评估其对成核速率密度的影响。
• 比较流体动力学与纯扩散动力学下的成核速率。
• 使用随机动力学模拟来建模溶剂介导的流体动力学相互作用。
• 分析成核速率密度随粘度的变化，以识别非单调趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 溶剂流体动力学如何影响胶体硬球悬浮液中的成核速率密度？
• RQ2 为何基于模拟的成核速率与实验测量值存在显著差异？
• RQ3 成核速率密度是否如扩散模型所预测的那样与溶剂粘度成反比？
• RQ4 流体动力学相互作用能否解释高粘度下观察到的成核增强现象？
• RQ5 溶剂介导的力在促进或阻碍晶体成核中起什么作用？

主要发现

• 成核速率密度随溶剂粘度增加而上升，与纯扩散模型预测的反比关系相反。
• 高粘度下成核的增强归因于促进集体粒子运动的流体动力学相互作用。
• 显式引入溶剂流体动力学解决了模拟与实验成核速率之间长期存在的差异。
• 成核速率随粘度表现出的非单调行为表明流体动力学屏蔽具有非平凡作用。
• 流体动力学相互作用通过实现长程粒子相关性，促进临界核的形成。
• 结果表明，纯扩散模型在高粘度胶体悬浮液中低估了成核速率。