Gas-Liquid Nucleation in Two Dimensional System
我们研究了二维（2D）过饱和蒸汽液相成核。采用不同的蒙特卡罗模拟方法，计算了成核的自由能垒、线张力，并研究了临界核的大小和形状。该研究是在中等水平的过饱和度（远离旋节极限）。在2D中，Lennard-Jones（LJ）势的截断中需要大的截止值以获得收敛的结果，而低截止值（例如，$2.5σ$在三维研究中通常是足够的，其中$σ$是LJ直径）导致线张力、成核势垒和临界团簇特性的值的实质性误差。结果发现，在二维，经典的成核理论（CNT）未能提供一个可靠的估计的自由能垒。在饱和比S=1.1（定义为S=P/PC，其中PC是在降低的温度下的共存压力$T^{\star}= 0.427$）时，它低估了势垒多达70%。有趣的是，已发现CNT高估了三维（3D）系统中靠近三相点的成核自由能垒。事实上，与CNT的一致性在2D中比在3D中更差。此外，现有的线路张力理论估计显着高估了该值。
2008-09-15 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Surface effects in nucleation
经典的成核理论（CNT）的概念，作为大块新相的片段的核失败的纳米尺寸的核。CNT考虑到共存的体相之间的过渡区的属性的扩展提出。为此，有限厚度层的方法，这是一个替代吉布斯一个被使用;过渡区被认为是一个单独的（表面）相。导出了成核功方程，为多变量成核理论奠定了基础。从平衡方程出发，考虑了液滴的表面张力与半径和温度的关系，并将平衡蒸气压的Kelvin公式推广到小半径情况。结果表明，由于曲率效应（表面张力对曲率的依赖性），等温成核速率与CNT的等温成核速率之比可以达到几个数量级。托尔曼长度对半径d（R）的不同依赖性的分析表明：（i）曲率效应由d（0）的值决定，d（0）为正值，与极限（旋节）蒸气过饱和度有关;（ii）函数d（R）随半径的增大而减小;同时，这种效应对函数d（R）的形式及其渐近值的敏感性较弱。二阶微分的工作是作为一个二次形式的贡献，从体相和表面相。它用于计算表面层参数的波动，如表面张力和比表面积，以及核参数的波动。
2017-06-08 physics.chem-ph
Free-Energy Analysis of Bubble Nucleation on Electrocatalytic Surfaces
Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy (IET-2), Forschungszentrum Jülich（亥姆霍兹尤利希埃尔朗根可再生能源研究所）；Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）
本文提出自由能模型预测气泡成核的活化能和临界核尺寸，发现活化能随过饱和度降低而减小，临界核半径随过饱和度减小而增大，理论预测与实验结果一致，为电解器催化剂层设计提供指导。
2026-04-10 cond-mat.soft physics.chem-ph
Rate of Homogeneous Crystal Nucleation in molten NaCl
本文对中等过冷度下氯化钠熔体晶体成核速率进行了数值模拟。在这种情况下，成核速度太慢，无法用“蛮力”分子动力学模拟进行研究。（“Tosi-Fumi”）NaCl的熔融温度为$\sim 1060$ K。我们研究了在$T$ = 800 K和825 K时的晶体形核。我们观察到，在成核过程中形成的临界晶核具有散装NaCl的晶体结构。有趣的是，临界核明显是多面的：核具有立方体形状。我们已经计算了晶体成核率使用两种完全不同的方法，一种是基于估计的成核势垒的扩散穿越率，其他的基础上的前向通量采样和过渡界面采样（FFS-TIS）的方法。我们发现，这两种方法产生相同的结果在一个数量级。然而，当我们将外推的模拟数据与NaCl成核的唯一可用实验结果进行比较时，我们观察到近5个数量级的差异。我们讨论了这种差异的可能原因。
2009-06-29 cond-mat.soft physics.chem-ph
Gibbs free energies of Fe clusters can be approximated by Tolman correction to accurately model cluster nucleation and growth
本文提出用MD模拟计算Fe团簇自由能的方法，并通过引入尺寸依赖的Tolman表面张力修正改进了球形团簇近似，从而能精确模拟冷却蒸气中Fe团簇的形核与生长过程。
2024-08-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Numerical calculation of free-energy barriers for entangled polymer nucleation
用粗粒模型研究了缠结聚合物从熔体中的结晶过程。使用混合蒙特卡罗模拟使我们能够探测长聚合物链的行为。我们确定了一个中心对称的本地序参量和计算的成核自由能垒在相对较高的过冷度与自适应偏置窗口伞采样固体状珠。我们的研究结果表明，临界核的大小和高度的自由能垒不显着依赖于聚合物的分子量，但是，成核速率随分子量的增加而降低。此外，临界核的组成的分析表明，分子内的成核簇的生长并没有显着的结晶为该系统作出贡献。
2020-06-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Molecular origin of the reduced phase stability and faster formation/dissociation kinetics in confined methane hydrate
利用先进的分子模拟技术结合中尺度热力学方法，揭示了纳米尺度甲烷水合物形成/分解的微观机理。通过原子尺度的模拟探测共存的限制和自由能计算，相稳定性的限制甲烷水合物被限制在一个较窄的温度和压力域比其散装对应。在给定的压力下，这是与现有的实验数据相一致的熔点抑郁症，示出使用吉布斯-汤姆逊形式主义，如果使用的孔隙/液体和孔隙/水合物表面张力的准确估计进行定量描述。水合物形成和分解时的亚稳势垒被发现减少后，约束，因此提供了一个分子尺度的图片，在实验中观察到的约束气体水合物的更快的动力学。通过考虑不同的形成机制-散装均匀成核，外表面成核，和孔隙内的限制成核-我们确定了一个交叉的成核过程中，在孔中形成的临界核对应于半球形帽或桥核取决于温度，接触角，和孔径。使用经典的成核理论，对于这两种机制，典型的诱导时间示出与孔表面体积比，因此，倒数孔径缩放。这些发现的临界核和成核速率与这种复杂的过渡提供了一种手段，合理化和预测甲烷水合物的形成在任何多孔介质从简单的热力学数据。
2020-11-25 physics.chem-ph
Comparing the Mechanical and Thermodynamic Definitions of Pressure in Ice Nucleation
University of Vienna（维也纳大学）；Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）
研究比较了冰成核中机械和热力学压力定义，发现界面应力与自由能关系及系统依赖性。
2025-11-25 cond-mat.soft physics.chem-ph
A Molecular Study of CaCO$_3$ cluster configurations
涉及固体的平衡关系是基于涉及无限尺寸的理想晶体的整体热力学性质。然而，真正的平衡过程意味着有限的分子尺度实体的发展。这些早期团簇的结构和它们相对于理想晶体的过剩能量的估计是理解给定系统宏观行为的关键。由于成核事件很难通过实验进行研究，因为它们是自发发生的，而且核的尺寸非常小，因此原子模拟是理解结晶早期阶段的合适工具。本文从方解石和文石的理想原子位置出发，探讨了有限团簇CaCO $_3$在真空中的弛豫。碳酸钙相的成核和生长构成了广泛领域中非常重要的研究课题。对CaCO $_3$的全面研究应包括不同条件下临界晶核的大小和形状、前驱相成核的可能性、晶核能和晶核表面能、异相成核过程中晶核与基体的关系等方面。我们提出了一个初步的研究碳酸钙的核被认为是从任何先前的阶段或基板隔离。即使这种情况并不代表现实情况，它也可以是更复杂研究的有用的第一种方法。
2011-05-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
The limit of macroscopic homogeneous ice nucleation at the nanoscale
本研究通过分子模拟探讨纳米尺度薄水膜中均匀冰成核，发现临界核尺寸和生长速率受膜厚影响极小，成核保持体相特性，且对当前实验影响可忽略。
2023-06-22 physics.chem-ph
Molecular mechanism for cavitation in water under tension
尽管它在生物学和工程学中具有相关性，但驱动水中空化的分子机制仍然未知。利用计算机模拟，我们调查的结构和动力学的汽泡出现在亚稳态水在负压。我们发现，在空化的早期阶段，气泡是不规则的形状，并成为更多的球形，因为它们的增长。然而，气泡形成的自由能可以完美地再现在经典成核理论（CNT）的框架内，如果考虑曲率依赖的表面张力。宏观瑞利-Plesset（RP）方程，增强与热波动的预测，所观察到的气泡动力学的比较表明，纳米级气泡的生长是由粘性力。结合从RP方程与CNT的自由能确定的动态前因子产生的空化率，再现模拟结果非常好的在很宽的压力范围内的解析表达式。此外，我们的理论预测是在良好的协议从夹杂物实验获得的空化率。这表明在夹杂物中观察到均质成核，而在其他实验中仅发生在杂质或缺陷上的异相成核。
2016-12-05 physics.chem-ph physics.comp-ph
Simulations of Crystal Nucleation from Solution at Constant Chemical Potential
一种广泛使用的晶体制备方法是将其从过饱和溶液中沉淀出来。在这样的过程中，溶液浓度的控制至关重要。成核过程，多晶型物的选择，和晶体的习惯取决于这个热力学参数至关重要。当在正则系综中进行模拟时，随着结晶相的沉积，溶液中的溶质被耗尽。热力学条件的这种不可避免的修改导致显著的伪像。在这里，我们采用Perego等人[J. Chem. Phys. 2015，142，144113]的恒定化学势分子动力学方法的思想来研究成核。我们的方法可以确定在恒定的过饱和度的晶核大小和成核速率。作为一个例子，我们研究了氯化钠从其过饱和水溶液中的均匀成核。
2019-07-09 cond-mat.soft physics.chem-ph
Nucleation of colloids and macromolecules: does the nucleation pathway matter?
最近的描述扩散限制成核波动的流体动力学的基础上，扩展经典的成核理论预测一个非常非经典的两步方案，从而成核是最有可能发生在空间上扩展，低幅度的密度波动。在本文中，它示出了如何可以使用的形式主义来确定观察\emph{any}建议的成核途径的最大概率，从而允许一个解决问题，其相对可能性，包括新提出的途径相比，经典的情况。计算高浓度气泡的成核在低浓度溶液中的球状蛋白质，它被发现，相对概率（新理论相比，经典的结果）达到一个临界核含有$N_c$分子尺度为$e^{-N_c/3}$，从而表明，对于所有，但最小的核，经典的情况是极不可能的。
2012-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Nucleation and droplet growth from supersaturated vapor at temperatures below the triple point temperature
1897年，奥斯特瓦尔德提出了一个多晶型体系形成最稳定晶体状态的阶梯法则。该规则描述了系统转化为具有最低自由能的晶体的不可逆方式。但事实上，低于三相点温度的过冷气体通过液滴$T_{tr.p.}$结晶的不可逆方式是奥斯特瓦尔德阶梯规则的一个例子。过饱和气体中的均匀形核不是晶体，而是类液体临界核。我们第一次进行了恒定能量（NVE）分子动力学（MD）的均匀成核没有使用恒温器。在低于$T_{tr.p.}$的温度下，对Lennard-Jones系统中过饱和蒸汽的均匀形核进行了模拟，结果表明，类液临界核的形核是由一个小的冷团簇引发的[S. Toxvaerd，J. Chem. Phys. \textbf{143} 154705（2015）]。在随后的液滴生长时潜热的释放增加了液体状液滴中的温度，对于非深过冷和/或低过饱和，该温度可以超过$T_{tr.p.}$。对于低过饱和度，液体状液滴的温度增加较少，并且保持低于$T_{tr.p.}$，但是液滴长时间没有结晶。潜热消散到周围气体中受到传统MD恒温器的影响，结果是液滴生长对于（NVE）MD和恒温（NVT）MD是不同的。
2016-04-23 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Nucleation of spherical shell-like interfaces by second gradient theory: numerical simulations
第二梯度流体理论（在平衡条件下也能施加剪切应力）使我们能够：（i）描述存在界面的体系的热力学和力学行为：（ii）用化学势的泛函表示微观气泡的表面张力和半径;（iii）预测气泡的（最小）成核半径的存在。此外，上述理论提供了一个三维连续体模型，该模型被赋予足够的结构，以允许构建一个二维壳状连续体，该连续体表示相之间界面的一致近似二维模型。在本文中，我们使用第二梯度理论的框架内的数值模拟，以获得明确的关系，典型的二维模型的表面量。特别地，对于一些最一般的双参数状态方程，可以获得描述相同物质的流体相之间的球形界面的表面张力、厚度、表面质量密度和半径之间的关系的曲线。这些结果使我们能够预测这类状态方程的（最小）成核半径。
2009-06-10 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.class-ph
Forward Flux Sampling Calculation of Homogeneous Nucleation Rates from Aqueous NaCl Solutions
我们使用分子动力学模拟和被称为前向通量采样的路径采样技术，研究在298 K和1 bar的过饱和水溶液中的NaCl晶体的均匀成核。成核率得到了一系列的盐浓度的Joung-Cheatham NaCl力场结合SPC/E水模型。计算的成核速率显着低于现有的实验测量。在这项工作中的成核率的估计不依赖于经典的成核理论，但在模拟中观察到的途径表明，成核过程是更好地描述经典的成核理论比替代解释的基础上Ostwald的步骤规则，在一些以前的模拟相关的模型。除了NaCl核的大小，我们发现，一个新生的集群的结晶度起着重要的作用，在成核过程中。具有高结晶度的核被发现具有更高的生长概率和更长的寿命，可能是因为它们较少暴露于水合水。
2017-11-21 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Temperature dependence of the solid-liquid interface free energy of Ni and Al from molecular dynamics simulation of nucleation
基于最近发展起来的持续胚胎方法，研究了Al和Ni在过冷温度区的固液界面自由能γ随温度的变化关系。核形状的原子描述是由分子动力学模拟得到的。计算出的γ与温度呈线性关系。外推到熔化温度的γ值与用毛细管涨落法得到的结果吻合得很好。利用γ随温度的变化关系，从经典成核理论出发，估算了宽温度范围内的成核自由能垒。所得数据与用强力分子动力学模拟得到的结果吻合得很好。
2018-10-28 cond-mat.soft physics.chem-ph
Graphene Nucleation on Transition Metal Surface: Structure Transformation and Role of the Metal Step Edge
采用密度泛函理论和二维晶体成核理论，系统地研究了过渡金属（TM）表面上石墨烯（graphene）的成核过程.对Ni（111）表面负载的碳簇CN（尺寸N从1到24）的仔细优化表明，在N ~ 10-12处，其基态结构从一维（1D）C链转变为二维（2D）sp2 C网络.此外，控制石墨烯在金属表面上生长的关键参数，成核势垒，核的大小，和成核率的平台上或附近的台阶边缘，计算。与大量的实验观察结果一致，我们的分析表明，石墨烯成核附近的金属台阶边缘优于平台上。基于我们的分析，我们建议使用种子石墨烯来大面积合成高质量的石墨烯。
2011-04-01 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Solving the Classical Nucleation Theory with respect to the surface energy
经典成核理论（CNT）的基本参数是临界尺寸核和环境相之间的表面能，$σ$。在凝聚态物质中，这个参数不能独立于CNT通过实验确定。获得$σ$的一种常见做法是假设其温度依赖性的模型，并对实验成核数据进行CNT方程的回归。这种做法的缺点是，假设$σ$的温度依赖性增加了分析的偏差。尽管如此，这种做法是常见的，因为考虑到经典成核理论的常见表达式，关于$σ$的经典成核理论的解析解是不可能的。在这篇文章中，这个问题的一个一般的数值解决方案，使用朗伯$W$功能的建议，测试，并与典型的回归方法进行比较。所提出的方法的主要优点是，没有必要假设一个模型的温度依赖性的$σ$。
2019-03-11 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
