Stichting FOM
24 februari 2011, 2011/08
Revolutie in een bekerglas
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, Wenen en de Stichting
FOM hebben onverwachte resultaten geboekt met geavanceerde
computersimulaties op basis van de klassieke nucleatietheorie
(kiemvorming). Deze elegante theorie voorspelt dat kiemen alleen kunnen
groeien als zij een kritische omvang hebben, maar voorspellingen komen
niet altijd uit. FOM-werkgroepleider prof.dr. Peter Bolhuis en zijn
collega's hebben nu de oorzaak gevonden: de nucleatiekernen zijn niet
homogeen, maar gestructureerd in lagen, als in een ui. De binnenste
kern bestaat uit de meest stabiele kristalstructuur, maar wordt omgeven
door een besluiteloze wolk van deeltjes. Combinatie van de grootte van
de kern en de grootte van de oppervlaktewolk voorspelt nauwkeurig of
nucleatie zal plaatsvinden. De onderzoekers publiceerden hun resultaten
online op 22 februari 2011 in Physical Review Letters en is aangemerkt
als suggested reading door de editors.
Figuur 1. Een van de kritieke kiemen in de computersimulatie
vergroten Figuur 1. Een van de kritieke kiemen in de computersimulatie
De groene deeltjes stellen de kristallijne kern voor (in dit geval in
HCP-stapeling). De blauwe deeltjes zijn de vloeistof en de grijze
deeltjes zijn deel van de bijna-kristallijne besluiteloze wolk. Dit
kritieke cluster heeft 50% kans om helemaal uit te groeien tot een
kristal en 50% kans om weer op te lossen.
Nucleatietheorie geeft nauwkeurige voorspellingen, en is door haar
algemene vorm is van toepassing op nucleatieprocessen bij
faseovergangen in een enorm aantal verschillende systemen. Kleine
kiemen zullen steeds worden opgelost, en pas als deze toevallig groot
genoeg geworden zijn, zullen ze verder groeien.
Uit eerder simulaties blijkt dat kleine kernen die werden verondersteld
te krimpen, juist groeiden, terwijl andere kernen die groot leken,
verdwenen. Er moeten dus extra eigenschappen van de kernen die hun lot
bepalen.
De onderzoekers tonen nu aan dat nucleatiekernen niet homogeen zijn,
maar gestructureerd in lagen. Alleen de binnenste kern bestaat uit de
gewenste meest stabiele kristalstructuur. Deze kern wordt omgeven door
een besluiteloze wolk van deeltjes, die weliswaar geordend zijn maar
niet echt kristallijn. Neemt men zowel de grootte van de kern als de
grootte van de oppervlaktewolk mee, dan kan men nauwkeurig voorspellen
of nucleatie en daarmee de faseovergang zal plaatsvinden. Als de wolk
van deeltjes maar groot genoeg kunnen zelfs kleine kernen, die niet op
eigen kracht kunnen groeien, leiden tot de gewenste faseovergang.
De besluiteloze deeltjeswolk aan de oppervlakte beslist zo over de
overwinning of de nederlaag van de nieuw te vormen fase. Met deze
inzichten is een cruciale fase van de revolutie in het bekerglas nu
beter begrepen: het begin.
Zelf zien?
Probeer het volgende experiment eens: neem een bekerglas of een petfles
water (het werkt zelfs beter met bier in een heldere fles) en zet deze
gedurende de nacht rechtop in de vriezer gedurende de nacht. Tot
verbazing van de meeste mensen is het water de volgende ochtend nog
steeds vloeibaar in plaats van bevroren. Pas na je de fles een schok
geeft, zal het water zeer snel bevriezen. Interessant is wat er precies
gebeurt met het water. Eerst wordt het water gekoeld tot het vriespunt.
Het water bevriest dan niet onmiddellijk, maar blijft vloeibaar zelfs
na verdere afkoeling. Deze zogenaamde onderkoelde vloeibare toestand is
het uitgangspunt van de revolutie van de watermoleculen. Ze zijn
ontevreden, ze willen ijs zijn, geen water. Deze situatie kan een hele
lange tijd duren. Pas na een schokje kan een klein aantal van hen
spontaan een kleine kern van ijskristal vormen, die dan snel groeit en
uiteindelijk de hele waterfles overneemt. Drukgolven die door de schok
ontstaan in de fles verlagen de energiebarrière voor nucleatie
tijdelijk. Daardoor besluit de wolk van besluiteloze deeltjes direct te
bevriezen.
Referentie
Het artikel.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.085701
Contact
Prof.dr. Peter Bolhuis (020) 525 64 47.