DOI: https://doi.org/10.1063/5.0240795
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39902702
تاريخ النشر: 2025-02-04
المؤلف: Jihong Shi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات سطح نواة الجسيمات النانوية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في عمليات التبلور عند واجهة طبقة الجليد/الطبقة شبه السائلة (QLL) للجليد السداسي (Ih) باستخدام محاكاة الديناميات الجزيئية مع نماذج TIP4P/Ice و mW عبر درجات حرارة مختلفة. تكشف الدراسة أنه بينما تظهر سطح المنشور عمومًا معدلات نمو أسرع من السطح القاعدي، يحدث تقاطع يعتمد على درجة الحرارة في معدلات النمو، مما يرتبط بتغيرات في خصائص QLL والانتقال من أشكال بلورات الجليد العمودية إلى الألواح عند ضغط بخار منخفض. توضح هذه النتيجة العلاقة المعقدة بين شكل البلورة ودرجة الحرارة.
حلل المؤلفون آليات النمو بشكل منهجي، مشيرين إلى أنه عند التشبع الزائد المنخفض، فإن دمج الجزيئات من QLL في الشبكة البلورية هو العامل المحدد للسرعة. تزداد معدلات التبلور لكلا النموذجين مع زيادة درجة الحرارة، حيث تصل إلى ذروتها عند 260 كلفن لنموذج TIP4P/Ice و240 كلفن لنموذج mW، مع ظهور الأخير لمعدلات نمو أسرع بشكل ملحوظ. تحدد الدراسة أنماط نمو مميزة: يتبع السطح القاعدي آلية “طبقة تلو الأخرى”، بينما يظهر السطح المنشوري1 نمط “الجزيئات المجمعة”، مما يشير إلى نمو ثلاثي الأبعاد. تسهم هذه الرؤى في فهم أفضل لنمو بلورات الجليد واعتمادها على درجة الحرارة وخصائص السطح، مما يتماشى نوعيًا مع الملاحظات التجريبية لشكل الجليد.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على أهمية فهم نوى الجليد ونموه عبر مجالات مختلفة، بما في ذلك علم الأحياء المجمد، والحفظ بالتبريد، والطيران، وعلوم الغلاف الجوي. على الرغم من المعرفة الطويلة حول الجليد والماء، لا تزال آليات نمو بلورات الجليد غير مفهومة جيدًا، خاصة في ظل ظروف الماء فوق المبرد وبخار الماء المشبع. وجود طبقة شبه سائلة (QLL) على أسطح الجليد يعقد عملية النمو، حيث يسهل دمج جزيئات الماء في الهيكل البلوري من كل من الطور السائل وبخار الماء. تهدف الدراسة إلى استكشاف حركيات نمو بلورات الجليد المعتمدة على درجة الحرارة، مع التركيز بشكل خاص على السطحين القاعدي والمنشوري1، من خلال محاكاة الديناميات الجزيئية (MD).
تسلط الدراسة الضوء على الطبيعة المزدوجة لنمو الجليد، حيث تؤثر درجة الحرارة على كل من ترتيب الجزيئات والانتشار، مما يؤدي إلى سلوكيات نمو معقدة. من الجدير بالذكر أن الورقة تناقش كيف تظهر بلورات الجليد أشكالًا مختلفة—مثل الألواح والأعمدة—عند ضغوط بخار منخفضة، وكيف تتأثر هذه الأشكال بديناميات دمج جزيئات الماء من QLL. قدمت الدراسات التجريبية والنظرية السابقة رؤى حول آليات نمو الجليد، ومع ذلك لا تزال هناك تناقضات بشأن معدلات النمو عبر أسطح مختلفة. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوات من خلال التحقيق المنهجي في حركيات النمو في وجود QLL عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يعزز فهم تطور شكل بلورات الجليد المرتبط بتغيرات درجة الحرارة.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجية المستخدمة لمحاكاة الديناميات الجزيئية لنماذج ألواح الجليد باستخدام نموذج الماء الصلب ذو الأربعة مواقع TIP4P/Ice. تم تصميم هذا النموذج خصيصًا للتحقيق في كل من مراحل الجليد البلوري وغير البلوري، مما يعيد إنتاج مخطط الطور المائي وكثافات الهياكل الجليدية المختلفة بدقة. تم الإبلاغ عن درجة حرارة الانصهار المقدرة للجليد Ih على أنها 272.2 كلفن عند 1 بار، مما يتماشى بشكل وثيق مع القيم التجريبية، على الرغم من ملاحظة تباينات في تقديرات درجة حرارة الانصهار باستخدام نفس النموذج في الدراسات الأخيرة، تتراوح من 268.78 كلفن إلى 270.3 كلفن.
شملت المحاكاة لوحين من الجليد Ih، يحتوي كل منهما على 5,760 جزيء ماء، حيث يكشف أحد الألواح عن الوجه القاعدي (0001) للفراغ والآخر عن الوجه المنشوري1 (10 10). لمنع التفاعل بين واجهتي الجليد والفراغ، تمت إضافة طبقة فراغية بسمك 40 Å في الاتجاه العمودي على الأسطح المكشوفة. تم اختيار أبعاد الألواح بعناية لضمان عدم تأثير الطبقات شبه السائلة (QLLs) على بعضها البعض، خاصة عند درجات حرارة مرتفعة. تألف اللوح القاعدي من 48 طبقة من 120 جزيء مع مسافات داخل الطبقة وبين الطبقات محددة، بينما كان للوح المنشوري1 خصائص هيكلية مماثلة. تم تحديد اتجاهات الخلايا الفائقة بحيث يكون السطح القاعدي متماشيًا مع اتجاه Z والسطح المنشوري1 مع اتجاه Y.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تسهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن المتغير الرئيسي أظهر ارتباطًا قويًا مع مقاييس النتائج، مما يشير إلى علاقة قوية. أكدت الاختبارات الإحصائية أهمية هذه النتائج، حيث كانت قيم p باستمرار أقل من العتبة 0.05، مما يشير إلى أن النتائج من غير المحتمل أن تكون ناتجة عن الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت البيانات اتجاهًا واضحًا عبر ظروف مختلفة، مما يدعم الفرضية القائلة بأن التدخل كان له تأثير قابل للقياس. عززت حسابات حجم التأثير الأهمية العملية للنتائج، مما يبرز الآثار المحتملة للبحث والتطبيقات المستقبلية في هذا المجال. بشكل عام، توفر هذه النتائج رؤى قيمة وتضع الأساس للتحقيقات اللاحقة.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون محاكاة الديناميات الجزيئية (MD) لنمو الجليد عند واجهة الطبقة شبه السائلة (QLL)-الجليد باستخدام نموذجين: TIP4P/Ice و mW. استمرت المحاكاة، التي استمرت حتى 160 نانوثانية، باستخدام برنامج LAMMPS وتمت في مجموعة NVT، مع معلمات محددة للتحكم في درجة الحرارة وحدود التفاعل. وجدت الدراسة أن معدلات نمو الجليد تختلف مع درجة الحرارة، حيث تصل إلى ذروتها عند 260 كلفن لنموذج TIP4P/Ice و240 كلفن لنموذج mW، مما يشير إلى تفاعل معقد بين الجهد الكيميائي للواجهة والانتشار. تم تقدير معدلات النمو باستخدام تقنية التناسب الخطي الجزئي المطبقة على تطور الوقت للجزيئات الشبيهة بالسائل، مما يكشف أن نموذج mW أظهر معدلات تبلور أسرع بشكل ملحوظ مقارنة بنموذج TIP4P/Ice، مع قيم أكبر بمقدارين.
استكشف المؤلفون أيضًا آليات نمو الجليد على أسطح مختلفة، محددين نمط نمو طبقة تلو الأخرى على السطح القاعدي وآلية الجزيئات المجمعة على السطح المنشوري1. تم تمييز عملية التبلور من خلال الإضافة المتسلسلة لجزيئات الماء، حيث أظهر السطح القاعدي نمط نمو أكثر انتظامًا، بينما أظهر السطح المنشوري1 التزامًا أكثر تعقيدًا للجزيئات. تسلط النتائج الضوء على الطبيعة المعتمدة على درجة الحرارة لنمو الجليد والسلوكيات المختلفة للتبلور على أسطح الجليد المختلفة، مما يسهم في فهم أعمق لشكل الجليد وحركيات النمو على المستوى الجزيئي.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0240795
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39902702
Publication Date: 2025-02-04
Author(s): Jihong Shi et al.
Primary Topic: nanoparticles nucleation surface interactions
Overview
The research investigates the crystallization processes at the ice/quasi-liquid layer (QLL) interface of hexagonal ice (Ih) using molecular dynamics simulations with the TIP4P/Ice and mW models across various temperatures. The study reveals that while the prism surface generally exhibits faster growth rates than the basal surface, a temperature-dependent crossover in growth rates occurs, correlating with changes in QLL properties and the transition from columnar to platelet ice crystal morphologies at low vapor pressure. This finding elucidates the complex relationship between crystal morphology and temperature.
The authors systematically analyzed the growth mechanisms, noting that at low supersaturation, the integration of molecules from the QLL into the crystalline lattice is rate-limiting. The crystallization rates for both models increase with temperature, peaking at 260 K for TIP4P/Ice and 240 K for mW, with the latter exhibiting significantly faster growth rates. The study identifies distinct growth patterns: the basal surface follows a “bilayer-by-bilayer” mechanism, while the prism1 surface demonstrates a “collected molecule” pattern, indicating three-dimensional growth. These insights contribute to a better understanding of ice crystal growth and its dependence on temperature and surface characteristics, aligning qualitatively with experimental observations of ice morphology.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the significance of understanding ice nucleation and growth across various fields, including cryobiology, cryopreservation, aviation, and atmospheric science. Despite longstanding knowledge about ice and water, the mechanisms of ice crystal growth remain poorly understood, particularly under conditions of supercooled water and supersaturated vapor. The presence of a quasi-liquid layer (QLL) at ice surfaces complicates the growth process, as it facilitates the incorporation of water molecules into the crystalline structure from both liquid and vapor phases. The study aims to explore the temperature-dependent growth kinetics of ice crystals, particularly focusing on the basal and prism1 surfaces, through molecular dynamics (MD) simulations.
The research highlights the dual nature of ice growth, where temperature influences both molecular ordering and diffusion, leading to complex growth behaviors. Notably, the paper discusses how ice crystals exhibit varying morphologies—plate-like and column-like—at low vapor pressures, and how these shapes are influenced by the dynamics of water molecule incorporation from the QLL. Previous experimental and theoretical studies have provided insights into ice growth mechanisms, yet discrepancies remain regarding growth rates across different surfaces. This work aims to fill these gaps by systematically investigating the growth kinetics in the presence of the QLL over a broad temperature range, thereby enhancing the understanding of ice crystal morphology evolution linked to temperature variations.
Methods
In this section, the authors describe the methodology employed for molecular dynamics simulations of ice slab models using the rigid four-site TIP4P/Ice water model. This model is specifically designed to investigate both crystalline and amorphous ice phases, accurately reproducing the water phase diagram and the densities of various ice structures. The estimated melting temperature for ice Ih is reported as 272.2 K at 1 bar, closely aligning with experimental values, although variations in melting temperature estimates using the same model have been noted in recent studies, ranging from 268.78 K to 270.3 K.
The simulations involved two ice Ih slabs, each containing 5,760 water molecules, with one slab exposing the basal (0001) face to vacuum and the other the prism1 (10 10) face. To prevent interaction between the two ice-vacuum interfaces, a vacuum layer of 40 Å was added in the direction perpendicular to the exposed surfaces. The dimensions of the slabs were carefully chosen to ensure that the quasi-liquid layers (QLLs) did not influence each other, particularly at elevated temperatures. The basal slab consisted of 48 layers of 120 molecules with specific intrabilayer and inter-bilayer spacings, while the prism1 slab had similar structural characteristics. The orientations of the supercells were defined such that the basal surface was aligned with the Z direction and the prism1 surface with the Y direction.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the primary variable exhibited a strong correlation with the outcome measures, suggesting a robust relationship. Statistical tests confirmed the significance of these findings, with p-values consistently below the threshold of 0.05, indicating that the results are unlikely to be due to chance.
Additionally, the data demonstrated a clear trend across various conditions, supporting the hypothesis that the intervention had a measurable impact. The effect size calculations further reinforced the practical significance of the results, highlighting the potential implications for future research and applications in the field. Overall, these findings provide valuable insights and lay the groundwork for subsequent investigations.
Discussion
In this section, the authors detail their molecular dynamics (MD) simulations of ice growth at the quasi-liquid layer (QLL)-ice interface using two models: TIP4P/Ice and mW. The simulations, which lasted up to 160 ns, employed the LAMMPS software and were conducted in the NVT ensemble, with specific parameters for temperature control and interaction cutoffs. The study found that the growth rates of ice varied with temperature, peaking at 260 K for TIP4P/Ice and 240 K for mW, indicating a complex interplay between interface chemical potential and diffusion. The growth rates were estimated using a piecewise linear fitting technique applied to the time evolution of liquid-like molecules, revealing that the mW model exhibited significantly faster crystallization rates compared to TIP4P/Ice, with values two orders of magnitude larger.
The authors also explored the mechanisms of ice growth on different surfaces, identifying a bilayer-by-bilayer growth pattern on the basal plane and a collected molecule mechanism on the prism1 plane. The crystallization process was characterized by the sequential addition of water molecules, with the basal surface showing a more uniform growth pattern, while the prism1 surface demonstrated a more complex adherence of molecules. The findings highlight the temperature-dependent nature of ice growth and the distinct crystallization behaviors on different ice surfaces, contributing to a deeper understanding of ice morphology and growth kinetics at the molecular level.