[论文解读] Crystallization of the Wahnström Binary Lennard-Jones Liquid

Ulf R. Pedersen, Nicholas P. Bailey+2 more|ArXiv.org|Jun 6, 2007

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过微秒时间尺度的分子动力学模拟，报告了Wahnström二元Lennard-Jones液体的自发结晶行为，识别出MgZn₂（C14）Laves相为稳定的晶体结构。结晶机制由成核与生长主导，最大结晶速率出现在T = 0.60 ± 0.02，熔化温度估计为Tₘ = 0.93 ± 0.02（ρ = 0.82）。

ABSTRACT

We report observation of crystallization of the glass-forming binary Lennard-Jones liquid first used by Wahnström [G. Wahnström, Phys. Rev. A 44, 3752 (1991)]. Molecular dynamics simulations of the metastable liquid on a timescale of microseconds were performed. The liquid crystallized spontaneously. The crystal structure was identified as MgZn_2. Formation of transient crystallites is observed in the liquid. The crystallization is investigate at different temperatures and compositions. At high temperature the rate of crystallite formation is the limiting factor, while at low temperature the limiting factor is growth rate. The melting temperature of the crystal is estimated to be T_m=0.93 at rho=0.82. The maximum crystallization rate of the A_2B composition is T=0.60+/-0.02.

研究动机与目标

• 研究亚稳态、玻璃形成性Wahnström二元Lennard-Jones液体在长时间尺度下的结晶行为。
• 通过结构分析确定结晶过程中形成的晶体结构并验证其身份。
• 识别控制不同温度下结晶行为的动力学限制因素——成核或生长。
• 估算晶体相的熔化温度Tₘ及最大结晶速率对应的温度。
• 探讨在液态、过冷液态、玻璃态和晶态之间转变的体系中，结构弛豫、瞬态晶核形成与晶体生长之间的相互作用。

提出的方法

• 使用Gromacs软件包进行非平衡分子动力学模拟，时间步长为0.01t*。
• 采用Lennard-Jones势能，参数为：σ_BB = 1.2σ_AA，m_B = 2m_A，且所有原子对的ε_ij = 1。
• 采用Nosé-Hoover恒温器维持恒定温度，并施加周期性边界条件。
• 从2.0σ至3.5σ应用截断函数，以在3.5σ处平滑截断势能。
• 在密度ρ = 0.75和ρ = 0.82σ⁻³_AA下进行模拟，系统组分分别为N_A = N_B = 512，以及N_A = 1024，N_B = 512。
• 使用VMD进行可视化，并通过通用邻近原子分析识别晶核，确认晶体结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 Wahnström二元Lennard-Jones液体是否在微秒时间尺度内自发结晶？
• RQ2 结晶过程中形成的晶体结构是什么？其与A₂B化学计量比有何关联？
• RQ3 控制不同温度下结晶行为的动力学限制因素是成核还是生长？
• RQ4 在给定密度和组成条件下，MgZn₂相的熔化温度Tₘ是多少？
• RQ5 对于A₂B化学计量比，结晶速率最大的温度是多少？

主要发现

• 在模拟中，Wahnström二元Lennard-Jones液体在微秒时间尺度内自发结晶，表明该亚稳态液体在长时间尺度下并非真正稳定。
• 形成的晶体结构被确认为具有P6₃/mmc对称性的MgZn₂（C14）Laves相，与A₂B化学计量比及粒子尺寸比一致。
• 在过冷液态中形成瞬态晶核，经通用邻近原子分析确认，表现为结晶完成前的短暂能量降低。
• 在高温（T = 0.624）时，成核为速率控制步骤；在低温（T = 0.583）时，晶体生长为限制因素。
• 在ρ = 0.82下，MgZn₂晶体的熔化温度估计为Tₘ = 0.93 ± 0.02，且A₂B组成下成立。
• 最大结晶速率出现在T = 0.60 ± 0.02，表明存在一个最优结晶动力学温度窗口。