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    科學家開發出新方法來預測液體如何凍結

    倫敦女王瑪麗大學的研究人員開發了一種新穎的計算方法,可以更好地理解不同類型液體中的凍結。液體變成固體的冷凍過程并不像看起來那樣簡單。由于原子和分子排列的不同,許多物質(包括水和蠟)都具有幾種固態。然而,進行實驗以可視化確切的分子排列以及它們如何在狀態之間轉換可能是困難的。

    在過去的幾十年中,越來越多地使用計算模型來補充實驗研究,從而為氣態和液態以及它們之間的轉換(例如蒸發)帶來了新的分子見解。

    但是,致密相仍然是一個挑戰,大多數方法無法使用將冷凍液制成固體的復雜性,特別是在存在多種可能的固體排列的情況下。

    在發表在《物理化學雜志》 B上的這項研究中,科學家開發了新穎的計算方法來研究蠟,該蠟已知具有多種冷凍排列。使用他們的方法,他們能夠預測其熔點在實驗值的2°C以內。

    性能比較

    當他們將這些方法的性能與大多數現有的計算技術進行比較時,他們顯示出他們的建模方法可以更真實地了解液體凍結時所發生的情況,甚至可以預測在此過程中形成的一些更“奇異”的晶體結構。

    瑪麗女王大學的博士后研究助理Stephen Burrows博士說:“固體烷烴是不尋常的,因為分子具有令人驚訝的自由度。如果從完美的晶體開始并提高溫度,分子會突然具有旋轉的能力,其動作類似于不安的臥床者在床上輾轉反側。”

    “我們已經測試了用于模擬這些'轉子'相的最廣泛使用的方法,發現1960年代的威廉姆斯模型已經過時了。最初由于缺乏計算能力而不切實際,現在它可能會經歷現代分子生物學的復興。動力學仿真。通過我們新近優化的模型,我們旨在研究在石油中發現的十六烷的轉子相,由于其不穩定特性,很難通過實驗觀察到。”

    實際應用

    像蠟一樣,諸如柴油之類的油也可以在許多階段凍結,并表現出不同的固體性質。因此,預測液體過渡到不同類型“固體”油的分子和原子復雜性的方法可能具有多種潛在的實際應用,從幫助更好地預測輸油管道的凍結(并防止漏油)到發展更好的智能絕緣和能量存儲。

    了解蠟中的固態轉變也可能導致比鋼更輕,更堅固的聚合物,并幫助研究人員增進對新發現的過程(如人工形態發生)的理解。這些可以實現更綠色的制造流程,因此我們可以“增長”自然界中看到的事物,減少副產品或廢品。

    瑪麗皇后大學化學工程專業的讀者Stoyan Smoukov博士說:“能夠預測油的轉化行為將有助于我們尋求未來的可持續制造工藝。通常的光刻微加工就像雕刻,切割/鑿子一樣在目前的撥款中,我們正在使用新穎的工藝對液滴進行自定形,并使用將近100%的起始材料來長大成形的顆粒。”

    “該過程具有高度的可擴展性,因為每個液滴都由于內部相變而自身成形。有效生產此類顆??梢詮氐赘淖儚膰娔∷⒌剿幬镙斔偷男袠I。我們開發的建模工具將幫助我們在分子規模上調節這種控制。”

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