La cristallisation dans les liquides est une transition de phase fondamentale. Alors que pendant de nombreuses années, la compréhension de la cristallisation était régie par la théorie classique de la nucléation, des recherches récentes se sont concentrées sur les voies non classiques de la cristallisation. Dans une nouvelle étude, des scientifiques de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo révèlent que la structure du précurseur cristallin, qui se forme spontanément sous la forme d'une fluctuation structurelle dans un liquide surfondu, a un impact critique sur la nucléation et la croissance des cristaux.

La cristallisation, la formation de solides homogènes et ordonnés à partir de liquides, est un processus crucial dans une variété de domaines, allant des sciences de l'atmosphère aux produits pharmaceutiques en passant par la fabrication de semi-conducteurs. En tant que tel, une compréhension de la cristallisation au niveau moléculaire est un domaine de recherche critique avec une large applicabilité. Pendant des décennies, la cristallisation a été comprise en termes de théorie classique de la nucléation (CNT). CNT indique que les solides microscopiques (noyaux) se forment de manière aléatoire et spontanée à partir du liquide et commencent à se transformer en cristal une fois qu'ils dépassent une certaine taille. Cependant, des recherches plus récentes dans le domaine ont démontré que la CNT n'est pas toujours valide et que des voies non classiques doivent être explorées pour bien comprendre le phénomène de cristallisation.

Des études sur les propriétés structurales des liquides vitrifiants (liquides qui forment un "solide" amorphe non cristallin lors de la surfusion) ont montré que, contrairement aux prédictions des CNT, la nucléation n'est pas aléatoire. Au lieu de cela, des noyaux cristallins sont induits dans des régions pré-ordonnées spécifiques du liquide surfondu qui ont une symétrie d'orientation locale qui est cohérente avec le cristal. De plus, des recherches récentes sur la croissance cristalline rapide, qui ne peuvent pas être prédites par CNT, ont mis en doute l'une des hypothèses fondamentales de CNT - que le taux de croissance cristalline est indépendant de la tension interfaciale (la propension d'un liquide à avoir une surface libre minimale lorsque en contact avec un autre liquide non miscible).

Pour répondre à ces questions sur les CNT, une équipe de recherche de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo (UTokyo-IIS) s'est penchée sur le rôle de la précommande sur la croissance et la nucléation des cristaux. The research team consisted of Professor Emeritus Hajime Tanaka of the Research Center for Advanced Science and Technology, UTokyo (formerly from Utokyo-IIS) and Dr. Yuan-Chao Hu, Yale University (formerly from Utokyo-IIS). The study, published in Nature Communications , highlights critical shortcomings in CNT and proposes critical modifications to address them.

In this study, the research team performed extensive molecular dynamics (MD) simulations of a supercooled nickel-aluminum alloy (NiAl). "We found that NiAl follows a non-classical crystallization pathway and that structural fluctuations in the precursors of crystals dramatically influenced crystal growth," reveals Dr. Hu.

The research team then developed a novel "order-killing strategy" to suppress preordering. They found that the order-killing strategy successfully reduced crystallization rate over several orders of magnitude. "Preordering reduces interfacial energy," explains Prof. Tanaka. "Our findings indicate that preordering and its associated reduction in interfacial energy are critical to crystal nucleation and growth, which exposes an important gap in CNT."

Prof. Tanaka and Dr. Hu then accounted for interfacial energy in their simulations by including an interfacial energy-related factor. They then evaluated the interfacial energy-related factor in eight different systems with different bonding types and crystal structures. "Our findings suggest that liquid preordering could be the most important contributor to crystallization kinetics and glass formation. This could have a significant ripple effect in both fundamental science and industrial applications," concludes Prof. Tanaka.

The findings of the study provide novel insights into crystallization kinetics. The implications of this study are sure to influence a wide-range of crystal-related applications, such as the control of silicon crystallization in the semi-conductor industry. + Explorer plus loin

Liquid-liquid transitions crystallize new ideas for molecular liquids