Entschlüsselung der superkomplexen Struktur unterkühlter Flüssigkeiten

Beim Abkühlen auf ihren Gefrierpunkt werden die meisten Flüssigkeiten fest oder kristallisieren. Mit anderen Worten: Die Moleküle ordnen sich in einer perfekt geordneten Form an, die Physiker als Kristall bezeichnen. Unterkühlte Flüssigkeiten sind anders; Sie bilden solche Kristalle nicht, selbst wenn sie unter ihren Gefrierpunkt abgekühlt werden. Diese Flüssigkeiten werden in vielen Branchen eingesetzt, es mangelt jedoch an einem umfassenden Verständnis ihrer Eigenschaften. Forscher der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) offenbaren nun die bisher realistischste Beschreibung ihrer Eigenschaften, indem sie erstmals vier Körperkorrelationsfunktionen verwenden. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS-Nexus.

Schauen Sie sich um. Was siehst du? Vielleicht sehen Sie Bücher, Papiere und Zeitschriften? Oder wenn Sie draußen sind, sehen Sie Bäume, Pflanzen und Felder, soweit das Auge reicht. Wenn alles, was Sie sehen, ordentlich angeordnet ist, kann diese Reihenfolge für das Auge angenehm sein, aber wenn die Objekte erst einmal durcheinander oder ungeordnet werden, kann dies für viele unangenehm und unordentlich sein.

In der Makrowelt lässt sich leicht erkennen, ob ein System ordentlich oder unordentlich, geordnet oder ungeordnet ist. Eine weitere Herausforderung besteht darin, in die Größenordnung von Atomen und Molekülen in Substanzen hineinzuzoomen. Während Feststoffe typischerweise eine geordnete Kristallstruktur aufweisen, gilt dies nicht für Flüssigkeiten.

Normale Flüssigkeiten versus unterkühlte Flüssigkeiten

Bei einer normalen Flüssigkeit, deren Temperatur über ihrem Gefrierpunkt, aber unter ihrem Siedepunkt liegt, sind ihre Moleküle ständig in Bewegung und können das sie einschließende Volumen frei erkunden. Mit anderen Worten: Die Moleküle haben keine genau definierten Positionen zueinander.

Sobald die Flüssigkeit jedoch auf ihren Gefrierpunkt abgekühlt ist, kommt es zu einem Phasenübergang, bei dem sich die Flüssigkeitsmoleküle auf ganz bestimmte Weise anordnen und einen kristallinen Feststoff bilden.

Wasser ist ein alltägliches Beispiel, bei dem sich Moleküle oberhalb von null Grad Celsius frei bewegen, bei Temperaturen unter null Grad Celsius jedoch in einer kristallinen festen Phase (Eis) eingeschlossen sind. Bei unterkühlten Flüssigkeiten ist die Situation jedoch ganz anders.

„Eine unterkühlte Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, die unter ihren Gefrierpunkt abgekühlt oder komprimiert werden kann, ohne sich in einen Kristall zu verwandeln“, sagt Ilian Pihlajamaa, Ph.D., Forscher in der Gruppe „Soft Matter & Biological Physics“ an der TU/e.

Warum passiert das? Corentin Laudicina, Ph.D., ein Kollege von Pihlajamaa an der TU/e, erklärt: „Wenn die Abkühlung sehr schnell erfolgt, kann die Flüssigkeit in manchen Fällen auch dann in flüssigem Zustand bleiben, wenn die Temperatur unter dem normalen Gefrierpunkt liegt.“ As Dadurch verfügt es über einige einzigartige Eigenschaften, die für eine Vielzahl industrieller Anwendungen nützlich sein können, von nachhaltigen Kunststoffen bis hin zu optischen High-Tech-Materialien.“

Über Paare hinausgehen

Da unterkühlte Flüssigkeiten ein so breites Anwendungsspektrum haben, wäre es von Vorteil, besser zu verstehen, wie sich die Moleküle in unterkühlten Flüssigkeiten gegenseitig beeinflussen, da diese Wechselwirkungen die gesamten Flüssigkeitseigenschaften erheblich beeinflussen können.

Eines der beliebtesten Werkzeuge zur Beschreibung der Struktur einer Flüssigkeit ist die Zwei-Molekül- oder Zwei-Körper-Strukturkorrelation, die untersucht, wie zwei beliebige Moleküle sich gegenseitig beeinflussen oder miteinander korrelieren. Wie die Intuition erwarten lässt, haben Moleküle, die näher beieinander liegen, tendenziell einen größeren Einfluss auf ein Molekül von Interesse als Moleküle, die weiter von dem Molekül von Interesse entfernt sind.

„Zwei-Molekül-Korrelationen sind nützlich, aber wir würden gerne mehr über den Einfluss mehrerer Moleküle auf ein bestimmtes Molekül gleichzeitig erfahren“, sagt Pihlajamaa. „Um die Struktur einer Flüssigkeit auf grundlegender Ebene detaillierter zu beschreiben, sind Korrelationen mehrerer Moleküle erforderlich. Wenn man über Zwei- und Drei-Molekül-Korrelationen hinausgeht, werden diese Details bereitgestellt.“

In dem Artikel veröffentlicht in PNAS-Nexussind die gemeinsamen Erstautoren Pihlajamaa und Laudicina zusammen mit ihrer Betreuerin Liesbeth Janssen von der TU/e ​​und Chengjie Luo vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen über herkömmliche Paarkorrelationen hinausgegangen, indem sie Vielkörperkorrelationen mithilfe von Simulationen berechnet haben neue Theorie.

Berechnungsherausforderungen

„Die meisten Studien konzentrieren sich bisher nur auf strukturelle Korrelationen zwischen zwei Körpern, und nur eine Handvoll Arbeiten haben versucht, zusätzliche Korrelationen zwischen drei Körpern zu berücksichtigen. Wir sind in Bezug auf die Berechnungen weiter als alle anderen gegangen, indem wir als Erste vier untersucht haben.“ -Körperkorrelationen“, sagt Janssen.

„Wir wissen, dass unterkühlte Flüssigkeiten andere Eigenschaften haben als normale Flüssigkeiten. Die Gesetze der Physik legen nahe, dass diese Eigenschaften mit der Molekülstruktur der Flüssigkeit zusammenhängen“, sagt Laudicina. „Es gibt kaum einen Unterschied zwischen Zwei- und Drei-Molekül-Korrelationen für unterkühlte Flüssigkeiten, aber die Vier-Molekül-Korrelationen offenbaren lokal bevorzugte Strukturen, die bisher nicht beobachtet wurden.“

Die Arbeit stellte die Forscher vor mehrere Herausforderungen. „Die mathematischen Ableitungen waren ziemlich langwierig und technisch“, sagt Laudicina. „Wir mussten mit Dutzenden bis Hunderten von Termen in den Gleichungen umgehen, daher war es eine interessante Herausforderung zu überprüfen, ob dies korrekt war oder nicht“, fügt Pihlajamaa hinzu.

Darüber hinaus benötigten die Forscher zur Messung von Vier-Körper-Korrelationsfunktionen Daten, und zwar in großer Menge. „Wir haben fortschrittliche Computerprogramme auf Hochleistungsclustern verwendet, um unseren selbst entwickelten Code auszuführen. Unsere Laptops waren definitiv nicht in der Lage, diesen Code auszuführen“, sagt Pihlajamaa.

Zwanzig Jahre und mehr

Für die Forscher war dies ein bedeutender Durchbruch, insbesondere wenn man bedenkt, dass die vier Forscher zusammen über mehr als zwanzig Jahre Erfahrung in der Arbeit an besseren Theorien zur Erklärung der Zusammenhänge zwischen Molekülen in Flüssigkeiten verfügen.

„Durchbrüche wie dieser werden mich dazu inspirieren, weiter an diesen neuartigen Ideen zu arbeiten und die besten Theorien zu verbessern“, sagt Janssen.

„Einen Beitrag zum Verständnis des komplexen Verhaltens dichter Flüssigkeiten zu leisten und die Grenzen des derzeit Bekannten zu erweitern, bringt ein Gefühl der Erfüllung und Zufriedenheit mit sich“, fügt Laudicina hinzu.

Die tieferen Einblicke in die Struktur unterkühlter Flüssigkeiten könnten den Weg für neue Materialien für Anwendungen in der Werkstofftechnik, Herstellungsprozessen, der Chemietechnik und dem Design von Energiespeichersystemen ebnen.

„Es geht darum, die Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit neuer Materialien zu verbessern. Um dies zu erreichen, ist es jedoch wichtig, unser Verständnis der grundlegenden Aspekte dieser Systeme zu verbessern, und unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung.“ bemerkt Janssen.