Incorporating Surface Diffusion into a Cellular Automata Model of Ice Growth from Water Vapor
我们描述了一个数值模型的小面晶体生长的元胞自动机方法，采用admolecule扩散的小面表面上除了在介质中的体积扩散周围的晶体。该模型是为研究冰晶在空气中从水蒸气中的扩散限制生长而开发的，其中体扩散和强各向异性分子附着动力学的组合产生复杂的多面结构。我们限制本模型的圆柱对称晶体生长相对简单的生长形态，因为这是足够的理论模型和冰生长实验之间的定量比较。总的来说，这个数值模型再现了冰的生长行为，在广泛的条件下，合理的保真度，虽然有一些限制。该模型可以很容易地适用于其他材料系统，和元胞自动机技术似乎非常适合于调查晶体生长动力学时，强烈的各向异性表面附着动力学造成多面生长形态。
2015-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 10. On the Molecular Dynamics of Structure Dependent Attachment Kinetics
我检查的分子动力学的冰增长从水蒸气，专注于如何附着动力学可以增强边缘依赖的表面扩散。虽然有显着的不确定性，在开发一个准确的物理模型，这一过程中，它是可能的，使一些合理的估计表面扩散速率和admolecule密度增强，来自我们的基本理解的冰晶生长过程。一个定量模型表明，边缘依赖的表面扩散可以大大提高梯田成核窄面的表面上，特别是在发病的表面预熔。这一结果支持了我们的假设机制的结构依赖性的附件动力学，这很容易解释的变化，在雪晶体生长形态与温度中所描绘的著名的Nakaya图。这里描述的许多模型功能可能会受到进一步的定量调查，使用现有的计算模型的分子结构和动态的冰面。
2020-12-23 cond-mat.mtrl-sci
Triangular Snowflakes: Growing Structures with Three-fold Symmetry using a Hexagonal Ice Crystal Lattice
从水蒸气中生长出来的雪晶偶尔会表现出三重（三角）对称的形态，尽管冰晶晶格具有六重对称的分子结构。在极端的情况下，薄的片状雪晶可以长成类似简单等边三角形的多面形式。虽然远不如六方晶常见，但三角形雪晶在自然界和实验室研究中早已被观察到，它们的起源一直是一个持久的科学难题。在这篇论文中，我描述了如何在-14 ℃的空气中，在细长冰针的末端生长出高可靠性的板状三角结构。我进一步提出了一个物理模型，描述了这种结构如何自组装和发展，促进了边缘锐化不稳定性，在温度和水蒸气过饱和的特定组合打开。结果一般支持一个全面的模型的结构依赖的附着动力学在冰的生长，已被发现来解释许多的总体行为中看到的Nakaya图的雪晶形态。
2021-06-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.pop-ph
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth Dynamics: 2. Structure Dependent Attachment Kinetics near -5 C
我们目前的实验数据表明，存在的结构依赖的附着动力学（SDAK）在冰晶生长的水蒸气接近-5 ℃。具体而言，我们发现，薄壁中空柱状晶体的基底边缘上的成核势垒比大基底面上的相应成核势垒小约十倍。这些观测结果支持了SDAK效应在确定作为温度函数的大气冰晶生长形态中起重要作用的假设。
2013-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Observations of an Edge-enhancing Instability in Snow Crystal Growth near -15 C
我们目前的观察板状雪晶的形成提供了证据的边缘增强晶体生长的不稳定性。当描述冰棱柱刻面的生长的冷凝系数随着刻面的宽度变窄而增加时，这种不稳定性就会出现。再加上粒子扩散的影响，这种现象导致薄板状晶体从较厚的棱镜发展，随着它们的生长，将板的边缘锐化到微米或亚微米尺寸。这种锐化效应在很大程度上是由接近-15 ℃的水蒸气形成薄板状冰晶的原因，这是雪晶形态图中的主要特征。其他刻面晶体材料可表现出类似的形态生长不稳定性，其促进板状或针状结构的扩散限制生长。
2011-11-11 cond-mat.mtrl-sci
Measurements of Cylindrical Ice Crystal Growth Limited by Combined Particle and Heat Diffusion
我们目前的测量长柱状冰晶的生长从水蒸气在很宽的温度范围内，在空气中的过饱和水平。从薄的c轴冰针晶体开始，我们观察了它们随后在蒸汽扩散室中的生长行为，在受控条件下提取针的初始径向生长速度。将六角针状晶体近似为无限长的圆柱体，我们创建了一个分析生长模型，该模型包括水分子通过周围空气的颗粒扩散以及固化产生的热量扩散的影响。只有最小的调整模型参数，我们得到了很好的协议与我们的实验数据。据我们所知，这是第一次在水蒸气的冰生长中测量到粒子和热扩散的综合效应。该分析进一步提供了一种精确的方法，用于校准实验生长室中的水蒸气过饱和水平。
2016-02-08 cond-mat.mtrl-sci
A Comprehensive Model of Snow Crystal Faceting
该研究通过综合附着动力学模型解释低过饱和度下冰/蒸气系统的刻面实验，支持雪晶刻面主要源于各向异性附着动力学而非平衡表面能。
2023-06-06 cond-mat.mtrl-sci
A Versatile Apparatus for Measuring the Growth Rates of Small Ice Prisms from the Vapor Phase
我描述了一个适应性强的装置，用于精确测量从水蒸气中生长的多面冰棱柱作为温度、过饱和度和背景气压的函数。我还描述了模拟生长数据的程序，以理清各种物理效应，更好地理解系统误差和测量不确定性。通过在广泛的环境条件下进行精确的冰生长测量，该装置非常适合于研究冰/蒸汽界面处的分子附着动力学，这是理解和模拟雪晶体生长动力学所需要的。
2019-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph
Three-step growth of vapor-deposited ice under mesospheric temperature and water vapor conditions
该研究结合RHEED与IRRAS揭示120 K下气相沉积水冰由无定形水、立方冰到六方冰的三步纳米尺度生长机制。
2025-07-24 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 4. Measurements of Diffusion-limited Growth at -15 C
我们目前的测量扩散限制生长的冰晶从水蒸气在不同的过饱和水平在空气中的温度为-15 ℃。从薄的，c轴的冰针晶体，随后的生长形态范围从块状结构的针尖（在低过饱和度）薄面板的针尖（在高过饱和度）。我们成功地模拟了实验数据，再现生长速率和生长形态，使用细胞自动机的方法，在扩散限制生长产生多面晶体结构。从这个定量分析控制良好的实验测量，我们能够提取信息的附着系数在不同的情况下冰的生长。结果强烈支持以前的工作表明，在棱镜表面上的附着系数是一个函数的棱镜面的宽度。包括这种行为，我们在-15 ℃下创建了一个全面的模型，解释了所有的实验数据。据我们所知，这是第一次演示的动力学模型，再现了一系列的扩散限制冰的生长行为作为过饱和度的函数。
2015-12-11 cond-mat.mtrl-sci
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 6. Ice Attachment Kinetics near -5 C
我研究了各种雪晶体生长测量在-5 ℃的温度下，作为过饱和度，背景气体压力和晶体形态的函数。在此温度下，在不同条件下观察到板状和柱状棱柱形式，以及各种复杂的树枝状结构。所有的观察结果都可以合理地理解使用一个单一的综合物理模型的基础和棱镜附着动力学，连同颗粒扩散的水蒸气通过周围介质和其他众所周知的物理过程。一个关键的模型功能是结构依赖的附着动力学（SDAK），其中的分子附着动力学上的刻面表面强烈依赖于附近的晶体的介观结构。
2019-12-06 cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph physics.pop-ph
Measurements of Snow Crystal Growth Dynamics in a Free-fall Convection Chamber
我们提出了一系列的实验研究冰晶生长的水蒸气在背景气体的存在下。我们测量了生长动力学的温度范围从-2 ℃到-25 ℃，在0.5%和30%之间的过饱和度，并与背景气体的氮气，氩气，和空气在一巴的压力。我们将我们的数据与基于元胞自动机的扩散限制生长的数值模型进行比较，以提取不同温度和过饱和度下的表面生长参数。这些数据代表了获得精确的冰生长测量作为温度，过饱和度，背景气体压力和气体成分的函数的第一步。从这些调查，我们希望更好地了解表面分子动力学，决定晶体生长速率和生长形态。
2008-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 5. Measurements of Changes in Attachment Kinetics from Background Gas Interactions at -5 C
我们目前的测量扩散限制生长的冰晶从水蒸气在-5 ℃的温度下，在空气中的压力为$p_{air}=1$巴。开始与薄，c轴冰针晶体，随后的生长形态范围从固体棱柱空心柱复杂的“鱼骨”树枝状结构的过饱和度增加。我们模拟了简单的形态，使用分析技术与细胞自动机的方法，在扩散限制生长产生多面晶体结构。我们发现，分子附着系数$α_{prism}$的多面体棱镜表面在空气中，在-5 ℃是大大低于在低背景气压下测量。我们的数据表明，在该温度下，将$p_{air}$从0.01巴增加到1巴会使$α_{prism}$减少近两个数量级。相比之下，我们发现，$α_{basil}$是基本上不受空气压力在这个范围内。这些和其他测量表明，接近熔点的冰面随着温度的变化而经历了一系列复杂的结构和动力学变化，这些变化在很大程度上甚至在定性水平上也无法解释。
2016-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Crystal Growth in the Presence of Surface Melting and Impurities: An Explanation of Snow Crystal Growth Morphologies
我们研究的分子动力学的晶体生长的表面熔化和表面杂质的存在下，并从这个提出了一个详细的微观模型从气相中的冰的生长。我们的模型自然地解释了实验数据的许多方面，这些方面很难解释，并且它提出了各种可以提供进一步确认的测量。虽然还需要进一步的工作来完善这些想法，但我们相信，表面融化和杂质的综合影响为60年来为什么雪晶形态随温度变化如此剧烈的谜团提供了一个可行的解决方案。
2008-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Latent heat induced rotation limited aggregation in 2D ice nanocrystals
冰晶和雪花的迷人形状的基础科学仍然不为人所知。对相互作用势的认识不足和缺乏对生长过程的相关实验访问是造成这一失败的原因。在这里，我们研究了分形纳米结构的生长在一个二维（2D）系统，云母和石墨烯之间插入。基于我们的扫描隧道光谱（STS）数据，我们提供了令人信服的证据，这些分形是二维冰。当它们在20 $^{\circ}$ C下与大气材料接触并且与环境没有显著的热接触时，它们生长。生长研究原位，实时和空间在纳米尺度。我们发现生长的二维冰纳米晶体呈现分形形状，这通常归因于扩散限制聚集（DLA）。然而，与目前实际存在的高质量密度母相相比，DLA需要低质量密度母相。潜热效应和随之而来的热量和分子的传输被发现是理解雪（冰）片演变的关键成分。我们的结论是，不是当地的水分子（DLA）的可用性，而是他们具有当地所需的方向是纳入2D冰芯的关键因素。结合传输的潜热，我们属性的分形二维冰纳米晶体的演变局部温度依赖的旋转限制聚集（RLA）。冰的生长发生在极端的过饱和状态下，即条件非常类似于复杂的2D雪（冰）片生长的自然条件，我们认为我们的研究结果对于解决“常年”雪（冰）片之谜至关重要。
2016-04-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 8. Characterizing Structure-Dependent Attachment Kinetics near -14 C
在本文中，我检查雪晶体生长近-14 C的比较与一个全面的模型，包括结构依赖性附着动力学（SDAK）。分析了一系列的冰增长观测在空气中，我表明，数据强烈支持的模型，它规定，基底生长所描述的经典梯田成核在这个温度区域的多面表面。相比之下，棱镜生长表现出显著的“SDAK下降”，其显著降低了窄棱镜刻面上的成核势垒（相对于宽棱镜刻面上发现的成核势垒）。我使用这些测量来进一步表征和完善SDAK模型，该模型有效地解释了在14 ℃附近的空气中板状雪晶的稳健形成。
2021-08-10 cond-mat.mtrl-sci
In-situ NMR Measurements of Vapor Deposited Ice
原位NMR自旋晶格弛豫测量进行了几个气相沉积冰。的测量，跨越超过6个数量级的弛豫时间，显示出一个复杂的自旋晶格弛豫模式，这是强烈依赖于样品的生长条件。的弛豫模式的变化，从多时间尺度的弛豫样品生长在温度低于非晶-结晶转变温度的单指数恢复的转变温度以上的样品生长。在冷生长样品中看到的慢弛豫贡献表现出温度依赖性，并且在200 K下退火后样品变得更慢。在这些样品中看到的快速弛豫贡献，似乎没有改变或消失，即使加热到样品蒸发的温度。使用环境电子扫描显微镜进一步检查的可能性，即快速弛豫组件连接到微孔结构的无定形冰样品。这些图像揭示了复杂的中尺度微孔结构，其在其解吸温度下保持其形态。这些发现，支持的可能性，在孔隙表面的水分子可能是负责的快速弛豫的贡献。此外，本研究的结果表明，在过去的无定形冰中使用其他实验技术观察到的孔塌缩动力学，可能会有效地抑制在样品中生长的相对较快的气相沉积。
2018-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ordering dynamics of snow under isothermal conditions
利用X射线层析成像技术研究了实验室新雪在不同温度$T=-3,-9,-19 ^{\circ}C$等温条件下的形态演变。双连续冰-蒸汽系统的集体动力学由两点（密度）关联函数$C(\mathbf{r},t)$和类似于孔径分布的特定厚度分布的演变来监测。我们观察到的动态缩放的情况下，并揭示从根本上不同的类的长度尺度：第一类包括平均冰厚度和（逆）比表面积（每冰体积测量）单调增加，并遵循幂律。动力学指数与局部守恒序参量的粗化一致。第二类长度尺度是从不同坐标方向上原点处的$C(\mathbf{r},t)$的斜率导出的。所有这些尺度都表现出较慢的增长与反常的幂律标度。两种不同的幂律的存在是定量一致的分形聚集体的粗化，并揭示了持久性的幂律相关性在初始条件下，雪包含树枝状结构。在低温下，这些结构甚至持续一整年。第三类长度尺度可以由$C(\mathbf{r},t)$的第一个过零点来定义。过零点在重力方向和水平方向之间表现出强各向异性的非单调演化。我们把这种行为归因于冰网络的大规模结构弛豫，这显然使小规模的界面弛豫不受影响。然而，反之亦然，它仍然是一个问题，结构的流动性是如何引起的界面粗化。
2010-02-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Devitrification and Melting Dynamics in Vapor Deposited Water Ice
IBM Research Europe, Hartree Centre（IBM欧洲研究中心，哈特里中心）
本研究通过模拟mW水模型，探讨了气相沉积水冰在加热下的脱玻璃化与熔化动力学，发现其熔化行为与结构稳定性及键环统计有关。
2025-06-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Different pathways to anomalous stabilization of ice layers on methane hydrates
我们探讨了在水的冰点附近甲烷水合物表面冻结的Casimir-Lifshitz自由能理论。该理论使我们能够探索不同的途径，通过能量最小化在甲烷水合物表面上产生异常（稳定）冰层。值得注意的是，我们将对比气体水合物材料的性质，在这种情况下，薄的冰膜可以在水蒸气中形成，与那些需要在液态水的存在下。预测了甲烷水合物在水蒸气中在水的冰点附近成核冰膜而不是水膜。
2023-03-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Snow Crystals
这本专著回顾了我们目前对冰晶生长的物理动力学的理解，重点是从水蒸气（称为雪晶）自发形成复杂结构，作为温度，过饱和度，背景气压和其他外部参数的函数。雪晶生长是一个非常丰富而知之甚少的现象，需要综合材料科学、晶体生长理论、统计力学、扩散限制固化、有限元建模和分子表面过程等概念。基于最近在精确测量技术、计算建模方法和晶体表面的分子动力学模拟方面的进展，我相信我们正在朝着长期寻求的目标快速发展，即开发一个完整的雪晶形成物理模型，使用从头算分子动力学模拟来创建纳米级表面附着动力学的半经验表征，然后将其整合到一个完整的计算模型中，该模型再现了宏观晶体结构的生长。第一节主要讨论冰在平衡状态下的材料性质，包括热力学量、晶面结构、台阶能和晶体孪生行为。
2021-12-09 cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph physics.pop-ph
Modeling Diffusion-Limited Crystal Growth from Vapor using a Commercial Finite-Element Analysis Code
本应用笔记介绍了如何使用QuickField（一种商用有限元分析代码）对气相扩散限制晶体生长进行建模。晶体生长问题被铸造成一个稳态的热扩散问题的格式，这是一种类型的问题QuickField的目的是解决，我们推导出相关的转换因子和变量之间的对应关系。我们还描述了晶体生长问题中的三种边界条件和热扩散问题中相应的边界条件。作为一个例子，我们研究了冰的晶体生长从水蒸气在背景气体中使用各种混合边界条件。
2006-10-20 cond-mat.mtrl-sci
A Dual Diffusion Chamber for Observing Ice Crystal Growth on c-Axis Ice Needles
我们描述了一个双扩散室，用于观察空气中的水蒸气作为温度和过饱和度的函数的冰晶生长。在第一个扩散室中，尖端半径约为100 nm的薄c轴冰针生长到约2 mm的长度。然后将针状晶体输送到第二个扩散室，在那里温度和过饱和度可以独立控制。通过在第二腔室中产生线性温度梯度，对流被抑制，并且过饱和可以高精度地建模。与其他实验相比，c轴针状晶体提供了独特的起始几何形状，双扩散室允许在广泛的环境条件下快速定量观察冰的生长行为。
2014-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Measurements of Ice Crystal Growth Rates in Air at -5C and -10C
我们目前的实验研究冰晶的生长从水蒸气在空气中使用自由落体对流室。我们在-5 ℃和-10 ℃的温度下测量了生长速率，作为在接近一巴的气压下过饱和度的函数。我们将我们的数据与基于元胞自动机的扩散限制生长的数值模型进行比较，以提取不同温度和过饱和度下的表面生长参数。从这些调查，我们希望更好地了解表面分子动力学，决定晶体生长速率和形态。
2009-12-13 cond-mat.mtrl-sci
A Quantitative Physical Model of the Snow Crystal Morphology Diagram
我描述了一个半经验分子模型的表面附着动力学从水蒸气冰晶生长作为一个功能的温度，过饱和度，和晶体的介观结构。在这个模型中的一个重要的新假设是表面能驱动的分子扩散使一个泄漏的Ehrlich-Schwoebel障碍。建议的表面扩散行为是敏感的刻面宽度和表面预熔化，产生结构依赖的附着动力学与复杂的温度依赖性。通过结合几个合理的假设，对基础和棱镜刻面的表面预熔行为，这个模型可以解释的总体特征的雪晶形态图，这一直是一个持久的科学难题近75年。
2019-11-13 cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph physics.pop-ph
A Taxonomy of Snow Crystal Growth Behaviors: 2. Quantifying the Nakaya Diagram
本文提出包含206次雪花晶体生长观测的矩阵，量化中谷 diagram，为三维计算模型提供比较数据，旨在促进定量生长模型发展以再现雪花形态多样性。
2023-06-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Lifshitz theory of wetting films at three phase coexistence: The case of ice nucleation on Silver Iodide (AgI)
假设：当流体接近三相共存时，吸附可能是通过连续形成两个中间润湿膜而发生的。这些润湿层的平衡厚度是分子间力的微妙平衡的结果，如由下面的界面势所指示的。两个可变吸附层的范德华力可以从Dzyaloshinskiii-Lifshitz-Pitaevskii理论精确地公式化，并且可以导出远远超出常规Hamaker理论有效性的解析近似。计算方式：我们考虑了水蒸气在碘化银上的吸附平衡，当接近三相点时，冰和水层可以同时形成并竞争水蒸气。我们对这个复杂系统进行了Lifshitz理论的数值计算，并给出了与数值结果定量一致的解析近似。调查结果：在AgI/水/空气的三相接触线上，表面力促进了AgI/空气和水/蒸汽界面上的冰的生长，从而支持了AgI在大气中的接触成核模式。我们的方法提供了一个框架，在三相共存的吸附的描述，并允许对大气气溶胶的冰成核效率的研究。
2021-03-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Secondary ice growth mechanism for ice nuclei in the atmosphere
大气冰核的研究对于理解降水的形成和云系的发展至关重要，因为它揭示了这些微小颗粒的生长方式。当原子核处于混合冰/水相和量子真空涨落诱导的Casimir Lifshitz相互作用时，这种增长的机制突出了大气过程与量子理论的复杂性和相互联系。大气冰核最初的大小为$0.1\sim10\rmμm$量级，可通过周围水蒸气中水分子的积累而膨胀。
2023-03-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech hep-th
Numerical computations of facetted pattern formation in snow crystal growth
雪晶的面状生长导致了丰富多样的形式，并表现出显着的六重对称性。雪晶结构是在各向异性表面能和各向异性附着动力学的存在下由扩散限制的晶体生长产生的。现在已经很好地理解，冰晶的形态稳定性强烈地依赖于过饱和度、晶体尺寸和温度。直到最近，对这种高度各向异性的晶体生长进行数值模拟还是非常困难的。特别地，获得与树枝状分支相结合的小面生长是一项具有挑战性的任务。我们提出了一种新的计算方法，在两个和三个空间维度的雪晶体生长的数值模拟。我们提出了定性和定量计算。特别地，观察到尖端速度和过饱和度之间的线性关系。计算还表明，表面能的影响，虽然很小，有一个更大的影响晶体生长比以前预期的。我们计算固体板，固体棱柱，空心柱，针，树枝状晶体，加盖柱和卷轴板。尽管所有这些形式都出现在自然界中，但其中大多数形式都是在连续体模型的数值模拟中首次计算的。
2012-02-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
