La cristalización en líquidos es una transición de fase fundamental. Si bien durante muchos años, la comprensión de la cristalización se rigió por la teoría de la nucleación clásica, la investigación reciente ha cambiado el enfoque hacia vías no clásicas en la cristalización. En un nuevo estudio, científicos del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio revelan que la estructura precursora del cristal, que se forma espontáneamente como una fluctuación estructural en un líquido sobreenfriado, tiene un impacto crítico en la nucleación y el crecimiento de los cristales.

La cristalización, la formación de sólidos homogéneos y ordenados a partir de líquidos, es un proceso crucial en una variedad de campos, que van desde la ciencia atmosférica hasta los productos farmacéuticos y la fabricación de semiconductores. Como tal, la comprensión de la cristalización a nivel molecular es un área de investigación crítica con amplia aplicabilidad. Durante décadas, la cristalización se ha entendido en términos de la teoría de la nucleación clásica (CNT). CNT establece que los sólidos microscópicos (núcleos) se forman al azar y espontáneamente a partir del líquido y comienzan a convertirse en cristales una vez que superan un cierto tamaño. Sin embargo, investigaciones más recientes en el campo han demostrado que la CNT no siempre es válida y que es necesario explorar vías no clásicas para comprender completamente el fenómeno de la cristalización.

Los estudios sobre las propiedades estructurales de los líquidos formadores de vidrio (líquidos que forman un "sólido" amorfo no cristalino al sobreenfriarse) han demostrado que, contrariamente a las predicciones de CNT, la nucleación no es aleatoria. En cambio, los núcleos de cristal se inducen en regiones preordenadas específicas del líquido sobreenfriado que tienen una simetría de orientación local que es consistente con el cristal. Además, la investigación reciente sobre el crecimiento rápido de cristales, que no puede predecirse mediante CNT, ha puesto en duda una de las suposiciones fundamentales de CNT:que la tasa de crecimiento de cristales es independiente de la tensión interfacial (la propensión de un líquido a tener una superficie libre mínima cuando en contacto con otro líquido inmiscible).

Para abordar estas preguntas sobre CNT, un equipo de investigación del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio (UTokyo-IIS), profundizó en el papel de la preordenación en el crecimiento y la nucleación de cristales. 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. + Explora más

Liquid-liquid transitions crystallize new ideas for molecular liquids