Coarse-graining and renormalisation group methods for the elucidation of the kinetics of complex nucleation and growth processes

We review our work on generalisations of the Becker-Doring model of cluster-formation as applied to nucleation theory, polymer growth kinetics, and the formation of upramolecular structures in colloidal chemistry. One valuable tool in analysing mathematical models of these systems has been the coarse-graining approximation which enables macroscopic models for observable quantities to be derived from microscopic ones. This permits assumptions about the detailed molecular mechanisms to be tested, and their influence on the large-scale kinetics of surfactant self-assembly to be elucidated. We also summarise our more recent results on Becker-Doring systems, notably demonstrating that cross-inhibition and autocatalysis can destabilise a uniform solution and lead to a competitive environment in which some species flourish at the expense of others, phenomena relevant in models of the origins of life.

Solid-solid collapse transition in a two dimensional model molecular system

Solid-solid collapse transition in open framework structures is ubiquitous in nature. The real difficulty in understanding detailed microscopic aspects of such transitions in molecular systems arises from the interplay between different energy and length scales involved in molecular systems, often mediated through a solvent. In this work we employ Monte-Carlo simulation to study the collapse transition in a model molecular system interacting via both isotropic as well as anisotropic interactions having different length and energy scales. The model we use is known as Mercedes-Benz (MB), which, for a specific set of parameters, sustains two solid phases: honeycomb and oblique. In order to study the temperature induced collapse transition, we start with a metastable honeycomb solid and induce transition by increasing temperature. High density oblique solid so formed has two characteristic length scales corresponding to isotropic and anisotropic parts of interaction potential. Contrary to the common belief and classical nucleation theory, interestingly, we find linear strip-like nucleating clusters having significantly different order and average coordination number than the bulk stable phase. In the early stage of growth, the cluster grows as a linear strip, followed by branched and ring-like strips. The geometry of growing cluster is a consequence of the delicate balance between two types of interactions, which enables the dominance of stabilizing energy over destabilizing surface energy. The nucleus of stable oblique phase is wetted by intermediate order particles, which minimizes the surface free energy. In the case of pressure induced transition at low temperature the collapsed state is a disordered solid. The disordered solid phase has diverse local quasi-stable structures along with oblique-solid like domains. (C) 2013 AIP Publishing LLC.

Si nanowire growth on sapphire: Classical incubation, reverse reaction, and steady state supersaturation

Si nanowire growth on sapphire substrates by the vapor-liquid-solid (VLS) method using Au catalyst particles has been studied. Sapphire was chosen as the substrate to ensure that the vapor phase is the only source of Si. Three hitherto unreported observations are described. First, an incubation period of 120-480 s, which is shown to be the incubation period as defined in classical nucleation theory, is reported. This incubation period permits the determination of a desolvation energy of Si from Au-Si alloys of 15 kT. Two, transmission electron microscopy studies of incubation, point to Si loss by reverse reaction as an important part of the mechanism of Si nanowire growth by VLS. Three, calculations using these physico-chemical parameters determined from incubation and measured steady state growth rates of Si nanowires show that wire growth happens from a supersaturated catalyst droplet. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

A Numerical Model of Rapid Solidification Processing of Ni-Al Alloy in Planar Flow Casting

A numerical model has been developed for simulating the rapid solidification processing (RSP) of Ni-Al alloy in order to predict the resultant phase composition semi-quantitatively during RSP. The present model couples the initial nucleation temperature evaluating method based on the time dependent nucleation theory, and solidified volume fraction calculation model based on the kinetics model of dendrite growth in undercooled melt. This model has been applied to predict the cooling curve and the volume fraction of solidified phases of Ni-Al alloy in planar flow casting. The numerical results agree with the experimental results semi-quantitatively.

A Study on iron-based amorphous alloys : alloy development, thermodynamics and soft magnetism

Metallic glass has since its debut been of great research interest due to its profound scientific significance. Magnetic metallic glasses are of special interest because of their promising technological applications. In this thesis, we introduced a novel series of Fe-based alloys and offer a holistic review of the physics and properties of these alloys. A systematic alloy development and optimization method was introduced, with experimental implementation on transition metal based alloying system. A deep understanding on the influencing factors of glass forming ability was brought up and discussed, based on classical nucleation theory. Experimental data of the new Fe-based amorphous alloys were interpreted to further analyze those influencing factors, including reduced glass transition temperature, fragility, and liquid-crystal interface free energy. Various treatments (fluxing, overheating, etc.) were discussed for their impacts on the alloying systems' thermodynamics and glass forming ability. Multiple experimental characterization methods were discussed to measure the alloys' soft magnetic properties. In addition to theoretical and experimental investigation, we also gave a detailed numerical analysis on the rapid-discharge-heating-and-forming platform. It is a novel experimental system which offers extremely fast heating rate for calorimetric characterization and alloy deformation.

Simulated morphological landscape of polymer single crystals by phase-field model

The novel phase field model with the "polymer characteristic" was established based on a nonconserved spatiotemporal Ginzburg-Landau equation (TDGL model A). Especially, we relate the diffusion equation with the crystal growth faces of polymer single crystals. Namely, the diffusion equations are discretized according to the diffusion coefficient of every lattice site in various crystal growth faces and the shape of lattice is selected based on the real proportion of the unit cell dimensions.

Crystallization kinetics and morphology of nylon 1212

The isothermal and non-isothermal crystallization processes of nylon 1212 were investigated by polarized optical microscopy. The crystal growth rates of nylon 1212 measured in isothermal conditions at temperatures ranged from 182 to 132 degreesC are well comparable with those measured by non-isothermal procedures (cooling rates ranged from 0.5 to 11 degreesC/min). The kinetic data were examined with the Hoffman-Lauritzen nucleation theory on the basis of the obtained values of the thermodynamic parameters of nylon 1212. The classical regime I --> II and regime II --> III transitions occur at the temperatures of 179 and 159 degreesC, respectively. The crystal growth parameters were calculated with (100) plane assumed to be the growth plane. The regime I --> II --> III transition is accompanied by a morphological transition from elliptical-shaped structure to banded spherulite and then non-banded spherulite. The development of morphology during isothermal and non-isothermal processes shows a good agreement.

Miscibility and crystallization of poly(beta-hydroxybutyrate)/poly(vinyl acetate-co-vinyl alcohol) blends

Poly(vinyl acetate-co-vinyl alcohol) copolymers (P(VAc-co-VA)) were synthesized by hydrolysis-alcoholysis of PVAc. The miscibility, crystallization, and morphology of poly(P-hydroxybutyrate) (PHB) and P(VAc-co-VA) blends were studied by differential scanning calorimetry, optical microscopy (OM), and SAXS. It is found that the P(VAc-co-VA)s with vinyl alcohol content of 9, 15, and 22 mol % will form a miscible phase with the amorphous part of PHB in the solution-cast samples. The melting-quenched samples of PHB/P(VAc-co-VA) blends with different vinyl alcohol content show different phase behavior. PHB and P(VAc-co-VA9) with low vinyl alcohol content (9% mel) will form a miscible blend in the melt state. PHB and P(VAc-co-VA15) with 15 mol % vinyl alcohol will not form miscible blends while PHB/P(VAc-co-VA15) blend with 20/80 composition will form a partially miscible blend in the melt state. PHB and P(VAc-co-VA22) with 22 mol % vinyl alcohol are not miscible in the whole composition range. The single glass transition temperature of the blends within the whole composition range suggests that PHB and P(VAc-co-VA9) are totally miscible in the melt. The crystallization kinetics was studied from the whole crystallization and spherulite growth for the miscible blends. The equilibrium melting point of PHB in the PHB/P(VAc-co-VA9) blends, which was obtained from DSC results using the Hoffman-Weeks equation, decreases with the increase in P(VAc-co-VA9) content. The negative value of the interaction parameter determined from the equilibrium melting point depression supports the miscibility between the components. The kinetics of spherulitic crystallization of PHB in the blends was analyzed according to nucleation theory in the temperature range studied in this work. The best fit of the data to the kinetic theory is obtained by employing WLF parameters and the equilibrium melting points obtained by DSC. The addition of P(VAc-co-VA) did not affect the crystalline structure of PHB, as shown by the WAXD results. The long periods of blends obtained from SAXS increase with the increase in P(VAc-co-VA) content. It indicates that the amorphous P(VAc-co-VA) was rejected to interlamellar phase corporating with the amorphous part of PHB.

Kinetics of phase transformations in a model with metastable fluid-fluid separation: A molecular dynamics study

By molecular dynamics (MD) simulations we study the crystallization process in a model system whose particles interact by a spherical pair potential with a narrow and deep attractive well adjacent to a hard repulsive core. The phase diagram of the model displays a solid-fluid equilibrium, with a metastable fluid-fluid separation. Our computations are restricted to fairly small systems (from 2592 to 10368 particles) and cover long simulation times, with constant energy trajectories extending up to 76x10(6) MD steps. By progressively reducing the system temperature below the solid-fluid line, we first observe the metastable fluid-fluid separation, occurring readily and almost reversibly upon crossing the corresponding line in the phase diagram. The nucleation of the crystal phase takes place when the system is in the two-fluid metastable region. Analysis of the temperature dependence of the nucleation time allows us to estimate directly the nucleation free energy barrier. The results are compared with the predictions of classical nucleation theory. The critical nucleus is identified, and its structure is found to be predominantly fcc. Following nucleation, the solid phase grows steadily across the system, incorporating a large number of localized and extended defects. We discuss the relaxation processes taking place both during and after the crystallization stage. The relevance of our simulation for the kinetics of protein crystallization under normal experimental conditions is discussed. (C) 2002 American Institute of Physics.

Solid-liquid interfacial free energy out of equilibrium

The properties of the interface between solid and melt are key to solidification and melting, as the interfacial free energy introduces a kinetic barrier to phase transitions. This makes solidification happen below the melting temperature, in out-of-equilibrium conditions at which the interfacial free energy is ill defined. Here we draw a connection between the atomistic description of a diffuse solid-liquid interface and its thermodynamic characterization. This framework resolves the ambiguities in defining the solid-liquid interfacial free energy above and below the melting temperature. In addition, we introduce a simulation protocol that allows solid-liquid interfaces to be reversibly created and destroyed at conditions relevant for experiments. We directly evaluate the value of the interfacial free energy away from the melting point for a simple but realistic atomic potential, and find a more complex temperature dependence than the constant positive slope that has been generally assumed based on phenomenological considerations and that has been used to interpret experiments. This methodology could be easily extended to the study of other phase transitions, from condensation to precipitation. Our analysis can help reconcile the textbook picture of classical nucleation theory with the growing body of atomistic studies and mesoscale models of solidification.

A mathematical model of crystallization in an emulsion

A mathematical model incorporating many of the important processes at work in the crystallization of emulsions is presented. The model describes nucleation within the discontinuous domain of an emulsion, precipitation in the continuous domain, transport of monomers between the two domains, and formation and subsequent growth of crystals in both domains. The model is formulated as an autonomous system of nonlinear, coupled ordinary differential equations. The description of nucleation and precipitation is based upon the Becker–Döring equations of classical nucleation theory. A particular feature of the model is that the number of particles of all species present is explicitly conserved; this differs from work that employs Arrhenius descriptions of nucleation rate. Since the model includes many physical effects, it is analyzed in stages so that the role of each process may be understood. When precipitation occurs in the continuous domain, the concentration of monomers falls below the equilibrium concentration at the surface of the drops of the discontinuous domain. This leads to a transport of monomers from the drops into the continuous domain that are then incorporated into crystals and nuclei. Since the formation of crystals is irreversible and their subsequent growth inevitable, crystals forming in the continuous domain effectively act as a sink for monomers “sucking” monomers from the drops. In this case, numerical calculations are presented which are consistent with experimental observations. In the case in which critical crystal formation does not occur, the stationary solution is found and a linear stability analysis is performed. Bifurcation diagrams describing the loci of stationary solutions, which may be multiple, are numerically calculated.

Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasen- und Keimbildungsverhalten von Polymerlösungen

Das Phasenverhalten und die Grenzflächeneigenschaften vonPolymeren in superkritischer Lösung werden anhand einesvergröberten Kugel-Feder-Modells für das ReferenzsystemHexadekan-CO2 untersucht. Zur Bestimmung der Parameter imPotential setzt man die kritischen Punkte von Simulation undExperiment gleich. Wechselwirkungen zwischen beidenKomponenten werden durch eine modifizierteLorentz-Berthelot-Regel modelliert. Die Übereinstimmung mitden Experimenten ist sehr gut - insbesondere kann dasPhasendiagramm des Mischsystems inklusive kritischer Linienreproduziert werden. Ein Vergleich mit numerischenStörungsrechnungen (TPT1) liefert eine qualitativeÜbereinstimmung und Hinweise zur Verbesserung derverwendeten Zustandsgleichung. Aufbauend auf diesen Betrachtungen werden die Frühstadiender Keimbildung untersucht. Für das Lennard-Jones-Systemwird zum ersten Mal der Übergang vom homogenen Gas zu einemeinzelnen Tropfen im endlichen Volumen direkt nachgewiesenund quantifiziert. Die freie Energie von kleinen Clusternwird mit einem einfachen, klassischen Nukleationsmodellbestimmt und nach oben abgeschätzt. Die vorgestellten Untersuchungen wurden durch eineWeiterentwicklung des Umbrella-Sampling-Algorithmusermöglicht. Hierbei wird die Simulation in mehrereSimulationsfenster unterteilt, die nacheinander abgearbeitetwerden. Die Methode erlaubt eine Bestimmung derFreien-Energie-Landschaft an einer beliebigen Stelle desPhasendiagramms. Der Fehler ist kontrollierbar undunabhängig von der Art der Unterteilung.

Untersuchungen zur Verfestigungskinetik in Suspensionen kolloidaler Partikel

Kolloidale Suspensionen, bei denen man die kolloidalen Teilchen als "Makroatome" in einem Kontinuum aus Lösungsmittelmolekülen auffaßt, stellen ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung von Verfestigungsvorgängen dar. Auf Grund der typischen beteiligten Längen- und Zeitskalen können Phasenübergänge bequem mit optischen Verfahren studiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Kinetik der Kristallisation in drei kolloidalen Systemen unterschiedlicher Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung mit Lichtstreu- und mikroskopischen Methoden untersucht. Zur Untersuchung von Suspensionen aus sterisch stabilisierten PMMA-Teilchen, die in guter Näherung wie harte Kugeln wechselwirken, wurde ein neuartiges Laserlichtstreuexperiment aufgebaut, das die gleichzeitige Detektion von Bragg- und Kleinwinkelstreuung an einer Probe erlaubt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Kristallisation verfolgt sowie u.a. Nukleationsraten und erstmals auch Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmt werden; diese wurden mit klassischer Nukleationstheorie sowie Wilson-Frenkel-Wachstum verglichen. In beiden Fällen konnte sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden. In Systemen geladener Partikel wurden mit Bragg-Mikroskopie die Wachstumsgeschwindigkeiten heterogener, an der Wand der Probenzelle aufwachsender Kristalle untersucht. Die Anpassung eines Wilson-Frenkel-Wachstumsgesetzes gelingt auch hier, wenn man die dazu eingeführte reskalierte Energiedichte auf den Schmelzpunkt bezieht. Geeignete Reskalierung der Daten erlaubt den Vergleich mit den Hartkugelsystemen. Zum ersten Mal wurde die Kristallisationskinetik in zwei verschiedenen kolloidalen binären Mischungen bestimmt und ausgewertet: In Beimischungen einer nichtkristallisierenden Teilchensorte zu einer kristallisierenden Suspension konnten die Daten mit einem modifizierten Wilson-Frenkel-Gesetz beschrieben werden, während in Mischungen aus zwei kristallisierenden Partikelsystemen eine unerwartet hohe Abnahme der Wachstumsgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Kolloidale Suspensionen hartkugelähnlicher Mikrogel-Partikel konnten mit Hilfe des Lichtstreuaufbaues ebenfalls zum ersten Mal untersucht werden. Es wurde eine ähnliche Kristallisationskinetik wie in den PMMA-Systemen gefunden, jedoch auch einige wichtige Unterschiede, die insbesondere den Streumechanismus im Kleinwinkelbereich betrafen. Hier wurden verschiedene Interpretationsvorschläge diskutiert.

Eigenschaftskorrelationen in kolloidalen Festkörpern und Fluiden aus optischen Experimenten

Die Arbeit beschäftigt sich mit ein- und zweikomponentigen, geladenen Kolloidsystemen, die in vollentsalzten wässrigen und organischen Dispersionen kristalline Strukturen ausbilden. Im ersten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung der Kolloide mit verschiedenen Methoden charakterisiert. Dabei zeigten sich quantitative Übereinstimmungen zwischen den Resultaten aus Zellenmodellrechnungen und aus elektrokinetischen Messungen einerseits und Messungen des Phasenverhaltens und der Elastizität andererseits. Diese nunmehr gut gesicherten Diskrepanzen und Korrelationen bedürfen des theoretischen Verständnisses. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Erstarrungsverhalten kolloidaler Scherschmelzen in den kristallinen Zustand mit (zeitaufgelöster) statischer Lichtstreuung und mikroskopischen Methoden untersucht. Dies erlaubte zunächst die kritische Überprüfung klassischer Modelle zur Kristallisationskinetik (Wilson- Frenkel- Gesetz, klassische Nukleationstheorie, Kolmogorov- Johnson- Mehl- Avrami (KJMA)- Modell). Es zeigte sich, dass diese Modelle gut geeignet sind die Verfestigung auch geladener kolloidaler Schmelzen zu beschreiben, wenn die diffusive Einteilchendynamik korrekt berücksichtigt wird. Erstmals wurden Oberflächenspannungen zwischen Kristallkeim und Schmelze für geladene Systeme bestimmt, die im Gegensatz zu Hartkugel- Systemen eine lineare Zunahme mit der Partikelkonzentration aufweisen. Der Methodenpark und die Auswerteverfahren wurden sodann auf binäre kolloidale Mischungen übertragen. Entsprechend den Einzelkomponenten kristallisieren alle Mischungen in einer kubischen Struktur. Leitfähigkeitsmessungen und Elastizität stehen meist im Einklang mit der Nukleation zufallsgeordneter Substitutionskristalle. Für mehrere Proben mit unterschiedlichen Größenverhältnissen wurde mit statischer Lichtstreuung der Einfluss der Komposition und der Partikelkonzentration auf das Nukleationsverhalten untersucht. Im Allgemeinen wurde das Nukleationsszenario einkomponentiger Systeme mit einigen unerwarteten, quantitativen Unterschieden reproduziert. Für eine Probe, die eine Kompositionsordnung andeutet, wurden interessante Korrelationen zwischen der Nukleationskinetik und den Eigenschaften des resultierenden Festkörpers gefunden.