Crédit :Bommineni et al.
Bien que plusieurs études antérieures aient étudié la formation de cristaux à partir de particules identiques, les conditions dans lesquelles les particules non uniformes cristallisent et les cristaux résultant de ce processus sont encore mal connus. Dans une étude récente publiée dans Lettres d'examen physique ( PRL ), des chercheurs de l'université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg ont rassemblé des découvertes intéressantes sur la formation de cristaux complexes à partir de sphères de taille dispersée.
Particules identiques, tels que des atomes ou des particules colloïdales qui sont synthétisés pour être similaires les uns aux autres, sont connus pour avoir une faible dispersion. La dispersité est une mesure de l'hétérogénéité des tailles de particules ou de molécules dans un mélange.
La cristallisation est un phénomène très courant dans des particules identiques, pourtant, il est beaucoup plus difficile à réaliser lorsque les particules ont des tailles différentes (c'est-à-dire une forte dispersité). Même après avoir subi un processus de synthèse, les particules présentent souvent une dispersité importante, en particulier si le processus de synthèse n'est pas soigneusement contrôlé.
« Nos recherches montrent que la dispersion, en inhibant la cristallisation, ne l'interdit pas entièrement, " Michel Engel, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Au lieu, de nouveaux types de cristaux apparaissent via un processus appelé cristallisation fractionnée. La cristallisation fractionnée a de nombreuses applications technologiques et une pertinence en géologie. Notre travail est le premier à confirmer la nature précise de la cristallisation fractionnée dans les particules les plus simples possibles, sphères dures, en utilisant systématiquement des simulations statistiques avancées.
Dans leur étude, Engel et ses collègues ont utilisé des simulations informatiques avancées pour modéliser le mouvement et le réarrangement des particules au fil du temps. En faisant cela, ils ont utilisé une "astuce" numérique spéciale pour échanger des particules avec leurs voisins et les redimensionner, car cela peut accélérer considérablement le processus de simulation.
Crédit :Bommineni et al.
"Les méthodes précédentes n'employaient pas systématiquement cette astuce en fonction de la distribution granulométrique et de la densité du système, " expliqua Engel.
Engel et ses collègues ont démontré que les sphères dures avec une distribution de rayon gaussienne et une dispersité allant jusqu'à 19% cristallisent toujours si elles sont comprimées assez lentement. En outre, ils ont observé que cette cristallisation se produit de manière étonnamment complexe.
"Nous avons découvert que les populations de particules dispersées se cristallisent avec succès et comment elles le font, " dit Engel. " En pratique, une certaine douceur des particules, longtemps, et un concept appelé dispersion dynamique (ajustement continu de la taille, forme ou charge) est important pour accélérer le processus de cristallisation. En réalité, certaines de nos prédictions ont déjà été rapportées avec succès auparavant dans des systèmes expérimentaux impliquant des atomes, nanoparticules avec des linkers organiques, et des micelles molles (comme des bulles de savon nanoscopiques)."
L'étude menée par Engel et ses collègues offre de nouvelles informations précieuses sur la formation de cristaux complexes dans des sphères dures, montrant les circonstances dans lesquelles cela peut se produire. Leurs observations suggèrent également qu'il pourrait y avoir un lien entre les systèmes de particules dispersées et les alliages, qui sont des métaux fabriqués en combinant deux ou plusieurs éléments métalliques ensemble.
"Nos résultats suggèrent un lien étroit entre les systèmes de particules dispersées et les alliages, car les cristaux complexes (phases de Laves et autres phases de Frank-Kasper) que nous avons observés sont traditionnellement bien connus dans les alliages. les techniques de simulation que nous avons développées pourraient être appliquées à d'autres mélanges de particules qui sont technologiquement pertinents."
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