Возникающие при кристаллизации жидкости нанокристаллические агрегаты с осями пятикратной симметрии

Общая формулировка проблемы. Несмотря на важность процесса кристаллизации, до сих пор в науке нет полной теории нуклеации и гомогенной кристаллизации жидкостей. Проблема в том, что это кристаллизация зарождается на атомном уровне, а результатом являются макроскопические области новой фазы. Связать воедино разные уровни явления оказывается не просто. Кроме того, важную роль играет структура зародышей и прекурсоров зародышей новой фазы. Чтобы учесть их вклад, надо, по крайней мере, знать какие они. Однако их невозможно увидеть экспериментально. С появлением компьютерного моделирования появилась возможность исследовать структурные процессы, происходящие при кристаллизации, на атомном уровне.

Формулировка конкретной задачи. Изучение специфических локальных структур, возникающих на разных стадиях кристаллизации (от гомогенной жидкости, до поликристаллического состояния). Поиск в объемной фазе структур с осью симметрии пятого порядка, которые, как известно, существуют в наночастицах.

Авторы исследования, лаборатория. В, , Группа СМС.

Используемый подход. Методами молекулярной динамики и Монте-Карло получены модели простых жидкостей, соответствующие разным этапам кристаллизации. Использованы оригинальные методы анализа структуры компьютерных моделей, позволяющие изучать структурные особенности на масштабах нескольких атомов.

Полученные результаты. Разработан метод, позволяющий находить в компьютерных моделях конденсированной фазы малые агрегаты атомов с искомой структурой. Показано, что в жидкости перед кристаллизацией в заметном количестве присутствуют агрегаты, имеющие оси пятикратной симметрии. Они не обладают трансляционной симметрией, однако могут объединяться в пятигранные призмы, которые, не являясь элементами кристаллической структуры, могут выступать в роли предвестников, инициаторов возникновения кристаллических ядер. Таким образом, ядра плотной кристаллической фазы могут возникать из этих прекурсоров, изначально присутствующих в жидкости, а не только за счет случайных флуктуаций, как считается в теориях гомогенной нуклеации. Области кристаллической фазы вначале растут независимо. Встречаясь друг с другом, они образуют «полинанокристаллическую» структуру, где между кристаллическими областями, масштаб которых порядка нескольких нанометров, возникают пятигранные призмы и более сложные структуры на основе икосаэдра с осями пятого порядка. В дальнейшем кристаллические области поглощают друг-друга и возникает глобальная кристаллическая структура, которая может содержать дефекты (дырки, дислокации). Итак, в процессе гомогенной кристаллизации возникают и принимают участие локальные структуры, несвойственные кристаллическим решеткам. Их следует принимать во внимание при теоретическом описании явления нуклеации и кристаллизации жидкостей.

Подробно изложено в статьях:

[1] A. V. Anikeenko, N. N. Medvedev, A. Bezrukov, D. Stoyan Observation of fivefold symmetry structures in computer models of dense packing of hard spheres. //Journal of Non-Crystalline Solids. –3549.

[2] Anikeenko A. V., Gavrilova M. L., Medvedev N. N., A novel Delaunay simplex technique for detection of crystalline nuclei in dense packings of spheres. // Lecture Notes in Computer Science. 3480, 816 –

[3] , Медведев кристаллизация леннард-джонсовской жидкости. Структурный анализ с помощью симплексов Делоне.// Журн. структ. химии, т.47, (2), 273 –

[4] , . Плавление и гомогенная кристаллизация леннард-джонсовской системы. // Журн. Структ. Хим. т.47. S144 - S1

 

Рис. 3. Внешний вид модели упаковки сферических атомов в частично закристаллизованном состоянии. Видны области с упорядоченным расположением атомов.

Рис. 4. Структурные мотивы внутри моделей в «полинанокристаллическом» состоянии. Слева показаны только стопки пятичленных колец, представляющие пятигранные призмы, см. рис. 2. Справа зеленым выделены области структуры ГЦК, малиновым выделены области ГПУ.