결정화는 일상 생활에 익숙한 현상의 드문 경우이지만 물리, 화학 및 재료 과학의 최전선에서 집중적 인 연구의 초점입니다. 결정화의 일반적인 예는 눈송이 및 얼음 결정의 형성, 꿀 및 다른 형태의 설탕의 결정화 및 물이 끈끈한 용액에서 물이 증발 할 때 남은 소금 결정의 전형적인 예입니다. 그러나 공정의 중요성은 훨씬 더 큽니다. 용액으로부터의 고체의 침전은 화학의 핵심 과정이며, 많은 의약품은 결정 형태로 판매됩니다. 결정 형성에 의존하는 응용 목록은 끝이 없습니다.
결정화에는 두 가지 별도의 프로세스가 포함됩니다. 첫 번째는“핵 생성”이며, 소수의 분자가 모여 클러스터를 형성합니다. 일반적으로 작은 클러스터는 불안정하고 빠르게 떨어지지 만 때로는 우연히 안정되기에 충분히 커집니다. 이러한 "크리티컬 포스트"클러스터는 이용 가능한 모든 재료가 사용될 때까지 성장할 것이며,이 두 번째 성장 단계는 근본적으로 다른 과정입니다.
두 과정 모두에서 엄청난 양의 연구가 수행되지만 핵 생성은 몇 가지 이유로 더 신비 롭습니다. 가장 중요한 것은 관련된 클러스터는 일반적으로 매우 작습니다 (수십 또는 수백 개의 분자)으로 구성되어 있으며 거의 형성되지 않습니다. 이것은 테스트 튜브의 용액에서 상상할 수없는 수의 분자를 감안할 때조차도 그들의 형성이 드물게 발생한다는 것을 의미하므로, 그것을 볼 수있는 곳을 알 수는 없습니다. 이것은 결정 핵 생성을 직접 관찰하기가 어렵다는 것을 의미하며, 연구자들은 무슨 일이 일어나는지에 대한 부분적인 그림 만 드러내는 간접적 인 방법에 의존해야한다는 것을 의미합니다.
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그럼에도 불구하고 과학자들은 19 세기부터 결정화를 연구했으며, 20 세기 중반까지 클래식 핵 형성 이론 (CNT)이라는 도구 세트가 개발되었으며, 이는 일반적으로 핵 생성과 특히 결정화를 이해하는 데 사용되는 주요 패러다임으로 남아 있습니다 (1). 이러한 도구는 지속적으로 수정되고 개선되고 있지만 기본 아이디어는 오랫동안 동일하게 유지되었습니다. 이제 이러한 아이디어는 나노 스케일 (2)에서의 사건을 관찰 할 수있는 능력의 혁명과 핵 형성 (3)과 같은 희귀 한 사건의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행 할 수있는 능력에 의해 도전 받고 있습니다.
.이 연구는 결정 핵 생성이 이전에 믿었던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 보여 주었다. 우리는 이제 많은 경우에 결정이 용액으로부터 직접 형성되지 않고 오히려 성장하고 결국 결정으로 변형되는 작은 무질서한 클러스터 (전구체라고하는 작은 구조 클러스터로 시작한다는 것을 알고 있습니다. 이 과정에 대한 많은 공개 질문이 있습니다. 초기 클러스터는 액체와 유사하거나 비정질 고체입니까? 왜 그들은 결정으로 변형 될 정도로 오래 살 수 있습니까? 왜 이것이 결정을 직접 만들기보다는 결정을 형성하는 데 선호되는 경로입니까? CNT의 도구는 이러한 질문을 해결하는 데 사용되었지만 프레임 워크를 긴장시킵니다.
최근에 통계 물리학과 확률 적 과정의 수학의 정교한 이론적 도구는 CNT를 넘어선 시도 로이 문제에 대해 이루어졌습니다. 이 연구의 목표는 분자 상호 작용 력의 형태를 제외하고는 아무것도 시작하지 않고 형성 될 결정의 구조와 모든 전구체의 존재 및 특성과 같은 형성의 경로를 예측할 수있는 것입니다. CNT 자체와 마찬가지로, Mesoscopic Nucle -inceation 이론 또는 Ment라고하는이 이론적 프레임 워크는 결정화에 적용하는 것보다 더 일반적입니다. 예를 들어, 과포화 된 vapor에서 액체 액 적의 핵 생성에 동일하게 적용됩니다. 그리고 중요하게도, CNT는 MINS에서 파생 될 수 있으므로 두 가지 접근 방식이 다르지 않도록합니다. 오히려 Ment는 단순히 단순한 단순화 가정과 결합 될 때 CNT로 줄어든다.
.결정화로의 MEN의 확장은 Science Advances 에 발표 된 최근 논문에서 설명되었습니다. (4). 이 작업에 제시된 개념 증명 계산은 실제로 여러 단계로 구성된 결정의 형성을 보여줍니다. 첫 번째는 액체와 같은 액 적의 형성입니다. 이들은 단순하지 않지만 밀도가 낮고 저밀도 "쉘"의 교대 구형 층으로 구성되어 있습니다. 제한된 액체에서 일반적이지만 종종 CNT와 같은 간단한 접근 방식에서 무시됩니다. 이 액 적은 열 변동을 통해 거의 자랄 수 없으며, 그렇게하는 것처럼 조밀 한 껍질의 밀도가 증가하고 그들 사이의 영역의 밀도가 감소함에 따라 껍질은 더욱 구별됩니다.
.어느 시점에서, 액체 상태에서 자유롭게 움직일 수있는 분자는 액 적의 코어에서 고체와 같은 구조로 국한되기 시작한다. 이것은 아마도 고체의 형성이 불가피한 안정성 임계 값을 전달하는 조밀 한 쉘의 밀도 때문일 수 있습니다. 따라서 생성 된 구조는 코어에서 고체와 유사하지만 액체 유사 코팅으로 둘러싸여있다. 계산은 이것들이 주목 할 수 있음을 보여 주므로 실험에서 관찰 된 전구체의 후보가 될 수 있음을 보여줍니다. 결국, 이들은 클러스터의 내부가 결정으로 변환되고 핵 생성이 결정 성장에 방해가 될 때까지 점점 더 많은 클러스터 내부가 결정으로 전환되면서 충분히 커집니다.
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단일 계산 세트는 연구원들이 결정의 형성에 관한 모든 질문을 다룰 수는 없지만,이 작품은 유망한 방법을 제공합니다. 최근 몇 년 동안 정교한 이론적 도구를 사용한 실험 및 시뮬레이션에서 이루어진 놀라운 발전을 보완하면이 매혹적인 현상을 이해하는 데있어 진전을 가속화 할 수 있습니다.
참조 :
- d. KASHCHIEV NUCLEATION :응용 분야의 기본 이론, 옥스포드 :Butterworth-Heinemann (2000).
- r. P. SEAR, 결정의 비 고전적 핵 형성 :미세한 메커니즘 및 분자 결정, 얼음 및 탄산 칼슘에 대한 적용. int. 마트. 개정 57, 328–356 (2012).
- g. C. Sosso, J. Chen, S. J. Cox, M. Fitzner, P. Pedevilla, A. Zen, A. Michaelides, 액체의 크리스탈 핵 생성 :분자 역학 시뮬레이션의 개방형 질문과 미래 도전. 화학 개정 116, 7078–7116 (2016).
- j. F. Lutsko, 결정 형태 :핵 형성 경로 이론, 과학은 5, EAAV7399 (2019).
