Fusion of the extended modified liquid drop model for nucleation and dynamical nucleation theory

We present a new phenomenological approach to nucleation, based on the combination of the extended modified liquid drop model and dynamical nucleation theory. The new model proposes a new cluster definition, which properly includes the effect of fluctuations, and it is consistent both thermodynamically and kinetically. The model is able to predict successfully the free energy of formation of the critical nucleus, using only macroscopic thermodynamic properties. It also accounts for the spinodal and provides excellent agreement with the result of recent simulations.

Crystal nucleation kinetics of a metastable phase on cordierite glass surfaces

The crystal nucleation rates of a metastable phase (chi) on the surface of a near stoichiometric cordierite glass were determined for temperatures between 839 and 910 degrees C (T-g similar to 800 degrees C). The surface nucleation kinetics of that phase on our glass, as well as on a stoichiometric glass (2 MgO-2Al(2)O(3)-5SiO(2)) studied by other authors, were analysed in terms of the classical nucleation theory; for the first time. It was shown that the effective interfacial energy for surface nucleation is substantially lower than that for homogeneous volume nucleation in silicate glasses, vindicating the assumption of heterogeneous nucleation on free glass surfaces. The average wetting angle between the nucleating crystals and the active solid particles was estimated to be around 46 degrees C. The pre-exponential constant was several orders of magnitude higher than the theoretical values as found for volume homogeneous nucleation in oxide glasses.

Monte Carlo simulations of nucleation of colloidal crystals

A crystal nucleus in a finite volume may exhibit phase coexistence with a surrounding fluid. The thermodynamic properties of the coexisting fluid (pressure and chemical potential) are enhanced relative to their coexistence values. This enhancement is uniquely related to the surface excess free energy. rnA model for weakly attractive soft colloidal particles is investigated, the so called Asakura-Oosawa model. In simulations, this model allows for the calculation of the pressure in the liquid using the virial formula directly. The phase coexistence pressure in the thermodynamic limit is obtained from the interface velocity method. We introduce a method by which the chemical potential in dense liquids can be measured. There is neither a need to locate the interface nor to compute the anisotropic interfacial tension to obtain nucleation barriers. Therefore, our analysis is appropriate for nuclei of arbitrary shape. Monte Carlo simulations over a wide range of nucleus volumes yield to nucleation barriers independent from the total system volume. The interfacial tension is determined via the ensemble-switch method, hence a detailed test of classical nucleation theory is possible. The anisotropy of the interfacial tension and the resulting non-spherical shape has only a minor effect on the barrier for the Asakura-Oosawa model.

Investigating responses of calcium carbonate nucleation rates in artificial seawater to changes in saturation states due to ocean acidification

Senior thesis written for Oceanography 445

Effect of oscillatory flow on nucleation kinetics of butyl paraben

More than 165 induction times of butyl paraben-ethanol solution in a batch moving fluid oscillation baffled crystallizer with various amplitudes (1-9 mm) and frequencies (1.0-9.0 Hz) have been determined to study the effect of COBR operating conditions on nucleation. The induction time decreases with increasing amplitude and frequency at power density below about 500 W/m3; however, a further increase of the frequency and amplitude leads to an increase of the induction time. The interfacial energies and pre-exponential factors in both homogeneous and heterogeneous nucleation are determined by classical nucleation theory at oscillatory frequency 2.0 Hz and amplitudes of 3 or 5 mm both with and without net flow. To capture the shear rate conditions in oscillatory flow crystallizers, a large eddy simulation approach in a computational fluid dynamics framework is applied. Under ideal conditions the shear rate distribution shows spatial and temporal periodicity and radial symmetry. The spatial distributions of the shear rate indicate an increase of average and maximum values of the shear rate with increasing amplitude and frequency. In continuous operation, net flow enhances the shear rate at most time points, promoting nucleation. The mechanism of the shear rate influence on nucleation is discussed.

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.

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.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Dissolution-Precipitation in Porous Media: Experiments and Modelling

The evolution of porosity due to dissolution/precipitation processes of minerals and the associated change of transport parameters are of major interest for natural geological environments and engineered underground structures. We designed a reproducible and fast to conduct 2D experiment, which is flexible enough to investigate several process couplings implemented in the numerical code OpenGeosys-GEM (OGS-GEM). We investigated advective-diffusive transport of solutes, effect of liquid phase density on advective transport, and kinetically controlled dissolution/precipitation reactions causing porosity changes. In addition, the system allowed to investigate the influence of microscopic (pore scale) processes on macroscopic (continuum scale) transport. A Plexiglas tank of dimension 10 × 10 cm was filled with a 1 cm thick reactive layer consisting of a bimodal grain size distribution of celestite (SrSO4) crystals, sandwiched between two layers of sand. A barium chloride solution was injected into the tank causing an asymmetric flow field to develop. As the barium chloride reached the celestite region, dissolution of celestite was initiated and barite precipitated. Due to the higher molar volume of barite, its precipitation caused a porosity decrease and thus also a decrease in the permeability of the porous medium. The change of flow in space and time was observed via injection of conservative tracers and analysis of effluents. In addition, an extensive post-mortem analysis of the reacted medium was conducted. We could successfully model the flow (with and without fluid density effects) and the transport of conservative tracers with a (continuum scale) reactive transport model. The prediction of the reactive experiments initially failed. Only the inclusion of information from post-mortem analysis gave a satisfactory match for the case where the flow field changed due to dissolution/precipitation reactions. We concentrated on the refinement of post-mortem analysis and the investigation of the dissolution/precipitation mechanisms at the pore scale. Our analytical techniques combined scanning electron microscopy (SEM) and synchrotron X-ray micro-diffraction/micro-fluorescence performed at the XAS beamline (Swiss Light Source). The newly formed phases include an epitaxial growth of barite micro-crystals on large celestite crystals (epitaxial growth) and a nano-crystalline barite phase (resulting from the dissolution of small celestite crystals) with residues of celestite crystals in the pore interstices. Classical nucleation theory, using well-established and estimated parameters describing barite precipitation, was applied to explain the mineralogical changes occurring in our system. Our pore scale investigation showed limits of the continuum scale reactive transport model. Although kinetic effects were implemented by fixing two distinct rates for the dissolution of large and small celestite crystals, instantaneous precipitation of barite was assumed as soon as oversaturation occurred. Precipitation kinetics, passivation of large celestite crystals and metastability of supersaturated solutions, i.e. the conditions under which nucleation cannot occur despite high supersaturation, were neglected. These results will be used to develop a pore scale model that describes precipitation and dissolution of crystals at the pore scale for various transport and chemical conditions. Pore scale modelling can be used to parameterize constitutive equations to introduce pore-scale corrections into macroscopic (continuum) reactive transport models. Microscopic understanding of the system is fundamental for modelling from the pore to the continuum scale.

Ionized cluster beam deposition: Modeling, cluster size measurement and applications

Clusters are aggregations of atoms or molecules, generally intermediate in size between individual atoms and aggregates that are large enough to be called bulk matter. Clusters can also be called nanoparticles, because their size is on the order of nanometers or tens of nanometers. A new field has begun to take shape called nanostructured materials which takes advantage of these atom clusters. The ultra-small size of building blocks leads to dramatically different properties and it is anticipated that such atomically engineered materials will be able to be tailored to perform as no previous material could.^ The idea of ionized cluster beam (ICB) thin film deposition technique was first proposed by Takagi in 1972. It was based upon using a supersonic jet source to produce, ionize and accelerate beams of atomic clusters onto substrates in a vacuum environment. Conditions for formation of cluster beams suitable for thin film deposition have only recently been established following twenty years of effort. Zinc clusters over 1,000 atoms in average size have been synthesized both in our lab and that of Gspann. More recently, other methods of synthesizing clusters and nanoparticles, using different types of cluster sources, have come under development.^ In this work, we studied different aspects of nanoparticle beams. The work includes refinement of a model of the cluster formation mechanism, development of a new real-time, in situ cluster size measurement method, and study of the use of ICB in the fabrication of semiconductor devices.^ The formation process of the vaporized-metal cluster beam was simulated and investigated using classical nucleation theory and one dimensional gas flow equations. Zinc cluster sizes predicted at the nozzle exit are in good quantitative agreement with experimental results in our laboratory.^ A novel in situ real-time mass, energy and velocity measurement apparatus has been designed, built and tested. This small size time-of-flight mass spectrometer is suitable to be used in our cluster deposition systems and does not suffer from problems related to other methods of cluster size measurement like: requirement for specialized ionizing lasers, inductive electrical or electromagnetic coupling, dependency on the assumption of homogeneous nucleation, limits on the size measurement and non real-time capability. Measured ion energies using the electrostatic energy analyzer are in good accordance with values obtained from computer simulation. The velocity (v) is measured by pulsing the cluster beam and measuring the time of delay between the pulse and analyzer output current. The mass of a particle is calculated from m = (2E/v$\sp2).$ The error in the measured value of background gas mass is on the order of 28% of the mass of one N$\sb2$ molecule which is negligible for the measurement of large size clusters. This resolution in cluster size measurement is very acceptable for our purposes.^ Selective area deposition onto conducting patterns overlying insulating substrates was demonstrated using intense, fully-ionized cluster beams. Parameters influencing the selectivity are ion energy, repelling voltage, the ratio of the conductor to insulator dimension, and substrate thickness. ^

Microscopic Mechanism and Kinetics of Ice Formation at Complex Interfaces: Zooming in on Kaolinite

Most ice in nature forms because of impurities which boost the exceedingly low nucleation rate of pure supercooled water. However, the microscopic details of ice nucleation on these substances remain largely unknown. Here, we have unraveled the molecular mechanism and the kinetics of ice formation on kaolinite, a clay mineral playing a key role in climate science. We find that the formation of ice at strong supercooling in the presence of this clay is about 20 orders of magnitude faster than homogeneous freezing. The critical nucleus is substantially smaller than that found for homogeneous nucleation and, in contrast to the predictions of classical nucleation theory (CNT), it has a strong two-dimensional character. Nonetheless, we show that CNT describes correctly the formation of ice at this complex interface. Kaolinite also promotes the exclusive nucleation of hexagonal ice, as opposed to homogeneous freezing where a mixture of cubic and hexagonal polytypes is observed.