Коллоиды, состоящие из твердых сфер, взвешенных в жидкости, часто используются в качестве модельной системы для изучения кристаллизации. В течение многих лет наблюдается большое расхождение, до десяти порядков величины, между расчетно смоделированными и экспериментально измеренными скоростями зародышеобразования коллоидов твердых сфер. Это несоответствие обычно объясняется моделированием, не учитывающим гидродинамические взаимодействия – взаимодействия между молекулами растворителя. Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета, Оксфордского университета и Университета Сапиенца недавно объединились для дальнейшего изучения этого объяснения расхождения между фактическими и расчетными скоростями нуклеации.
Сотрудничество впервые разработало коллоидную модель твердых сфер, которая могла надежно моделировать экспериментальное термодинамическое поведение реальных систем твердых сфер. Затем они провели моделирование кристаллизации модельной системы с учетом и пренебрежением гидродинамическими взаимодействиями, чтобы прояснить влияние этих взаимодействий на поведение кристаллизации.
«Первоначально мы разработали имитационную модель, которая точно воспроизводила реальную термодинамику систем твердых сфер», – говорит ведущий автор исследования Мичио Татено. «Это подтвердило надежность и пригодность модели для использования в дальнейших симуляциях."
Результаты моделирования, полученные с использованием разработанной модели с пренебрежением и учетом гидродинамических взаимодействий, показали, что гидродинамические взаимодействия не влияют на скорость нуклеации, что противоречит преобладающему консенсусу.
Графики зависимости скорости зародышеобразования от доли твердых сфер в системе были одинаковыми для расчетов как с гидродинамическими взаимодействиями, так и без них, а также совпадали с результатами, сообщенными другой исследовательской группой.
«Мы провели расчеты с использованием разработанной модели с учетом и без учета гидродинамических взаимодействий», – поясняет старший автор Хадзиме Танака. «Расчетные скорости зародышеобразования кристаллов были одинаковыми в обоих случаях, что привело нас к выводу, что гидродинамические взаимодействия не объясняют очень разные скорости зародышеобразования, полученные экспериментально и теоретически."
Выводы исследовательской группы ясно показали, что гидродинамические взаимодействия не являются причиной большого расхождения между экспериментальной и смоделированной скоростями нуклеации. Их результаты расширяют наше понимание поведения кристаллизации, но оставляют без объяснения происхождение этого большого несоответствия.
Статья «Влияние гидродинамических взаимодействий на коллоидную кристаллизацию» опубликована в Physical Review Letters.