Gránásy László,a,b Tóth Gyula I.,c James A. Warren,d Podmaniczky Frigyes,a Tegze György,a Rátkai László,a Pusztai Tamás a
a Wigner Research Centre for Physics, P.O. Box 49, H-1525 Budapest, Hungary
b Brunel Centre of Advanced Solidification Technology, Brunel University, Uxbridge, Middlesex UB8 3PH, UK
c Department of Mathematical Sciences, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire LE11 3TU, UK
d National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899, USA
A rangos Progress in Materials Science folyóirat (impakt faktor 23.725) közelmúltban megjelent cikkében a Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói, az angliai Loughborough University és az amerikai National Institute of Standards and Technology munkatársaival kritikai módon áttekintették, miképp járultak hozzá a fázismező elméleti vizsgálatok a túlhűtött folyadékokban történő kristálycsíra-képződés megértéséhez.
Az ideálisan tiszta, olvadáspontja alá hűtött folyadék fagyása homogén kristálycsíra képződéssel (másképp nukleációval) indul, azaz a molekulák véletlen mozgásával növekedésre képes kristályszerű magok jönnek létre. A valóságban ezt a folyamatot idegen felületek (edényfal, idegen részecskék, stb.) segíthetik, mely esetben heterogén nukleációról beszélünk. Ezek a folyamatok fontos szerepet játszanak a tudomány számos területén, mint pl. a fizikai kémiában, anyagtudományban, biofizikában, geofizikában, kriobiológiában, és a légköri tudományokban, továbbá alapvető jelentőségűek számos anyagelőállítási technológiában, és egyebek mellett lehetőséget nyújthatnak a felhőképződés szabályozására ill. a klímaváltozás befolyásolására is.
A kristálycsíra-képződés modellezése hosszú történetre tekint vissza. Az alkalmazott megközelítések a részecskéken (atomokon/molekulákon) alapuló szimulációktól a különböző bonyolultságú kontinuum modellekig terjednek. Közülük az ún. fázismező elméleti modellek különösen sikeresnek bizonyultak a komplex morfológiájú megszilárdulási folyamatok leírásában. A jelen összefoglaló munka a mezo- és molekuláris skálán működő fázismezőelméleti modellek nukleációs alkalmazásait tekinti át, melyek illusztrálják a modellek prediktív erejének növekedését az újabb és újabb modellek megjelenésével. A jelenségek széles köre kerül tárgylásra, mint a folyadékban a nukleációt megelőzően zajló rendeződési folyamatok, a két- és többlépcsős csíraképződési folyamatok, a metastabil kritikus pont jelenlétének hatása, nukleáció eutektikus és fázisszeparáló rendszerekben, fázisszelekció versengő nukleációs folyamatokon keresztül, átmenet a növekedés által meghatározott oszlopos- és a nukleáció által dominált ekviaxiális megszilárdulás közt, és legvégül a felület menti nukleációs folyamatok szerkezeti vonatkozásainak vizsgálata, melynek során eltérő kristálytani orientációjú kristályszemcsék képződnek a megszilárdulási fronton, ami kristálykévék és szferolitok megjelenésére vezethet.
A fázismező modellezés lehetőségeit a publikációban szereplő 58 ábra mellett a magyar kutatócsoport által végzett szimulációkat mutató számítógépes animációk illusztrálják (ld. 1 – 4 animációkat).
1a
1b 1c
1. animáció: Kristálycsíra képződés (nukleáció) modellezése: (a) Moleluláris dinamikai szimuláció Lennard-Jones folyadékban. A folyadék atomok átlátszóak, azon atomok melyek környezete lapcentrált köbös zöld színűek, ezzel szemben a rózsaszín atomok hatszöges sűrűn pakolt környezettel rendelkeznek. A kristályos fürtökben nagyszámú kristályhibát (pakolási hiba, ikresedés, stb.) figyelhető meg. (b) Rombododekaéderes kristályok nukleációja és növekedése. (c) Nukleáció és dendrites kristálynövekedés kétalkotós ötvözetben (Ni-Cu).
2a 2b
2. animáció: Al-Ti ötvözetekben létrejövő mikroszerkezetek modellezése mezoskálájú fázismező elméletben. (a) Oszlopos, (b) ekviaxiális szerkezet.
3a
3b 3c
3.animáció: Heterogén nukleáció a mezoskálájú fázismező elméletben olyan határfeltételek mellett, melyek (a) 30, (b) 90, és (c) 120 fokos kontaktszöget biztosítanak a szilárd-folyadék-idegen fal hármas találkozópontban. A kristályosodásnál felszabaduló hő a szimulációs cellában marad.
4.animáció: A kétlépcsős kristálycsíra képződés szerkezeti vizsgálata a molekuláris fázismező elméletben. A fehér, vörös, és zöld színek rendre az amorf lokális környezetet, a középtávú kristályszerű rendet, ill. a tércentrált köbös kristályszerkezetet jelölik.
Link az eredeti cikkre: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642519300453
A publikáció a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal "Élvonal" kiválósági programjának támogatásával készült.
