Competitive B2 and B33 Nucleation during Solidification of Ni50Zr50 Alloy: Molecular Dynamics Simulation and Classical Nucleation Theory
采用持久胚胎法和经典形核理论研究了Ni 50 Zr 50合金中化学计量比B2和B33相的均匀形核。这两个阶段成为非常接近的竞争对手在大的过冷度，这是与实验观察。在B2相的情况下，外推到熔化温度的固-液界面（SLI）自由能的线性温度依赖性导致从毛细波动方法（CFM）获得的相同的值。在B33相的情况下，SLI自由能在大的过冷度下也是温度的线性函数，但是外推到熔化温度导致与CFM值相当不同的值。这与在名义上平坦的界面迁移的模拟中观察到的熔化温度附近的B33相的SLI性质的大的各向异性是一致的。
2019-02-23 cond-mat.mtrl-sci
Homogeneous Nucleation of Undercooled Al-Ni melts via a Machine-Learned Interaction Potential
针对过冷 Al-Ni 熔体，构建高维神经网络势函数进行大规模分子动力学模拟，克服了第一性原理计算尺度限制，揭示了纯 Ni 与 AlNi 合金均以单步路径分别形核为 fcc 与 B2 结构。
2024-10-10 cond-mat.mtrl-sci
Microstructural diversity, nucleation paths and phase behaviour in binary mixtures of charged colloidal spheres
我们研究低盐，二元水悬浮液的带电胶体球的尺寸比Φ = 0.57，数密度低于共晶数密度n_E，和数分数p = 1.00-0.40。由均匀剪切熔体凝固获得的典型相是体心立方结构的替代合金。在严格气密的小瓶中，多晶固体在长时间内对熔化和进一步相变是稳定的。为了比较，我们也准备了相同的样品，缓慢和机械不受干扰的商业狭缝细胞去离子。这些细胞的特点是一个复杂的，但良好的再现性序列的全球和局部梯度的盐浓度，数密度和组成诱导连续去离子，电泳运输和差异沉降的组件，分别。此外，它们提供了适合β相非均质成核的扩展底表面。我们给出了一个详细的定性表征的结晶过程中使用成像和光学显微镜。与体样品相比，在狭缝单元中的初始合金形成不是体积填充的，并且我们现在还观察到具有低溶解度的奇数组分的α和β相。除了最初的均匀成核路线，梯度的相互作用打开了各种进一步的结晶和转化途径，导致微观结构的巨大多样性。在随后的盐浓度增加时，晶体再次熔化。基于壁的卵石状β相晶体和多面α晶体最后熔化。我们的观察结果表明，在体实验中形成的替代合金均匀成核和随后的增长是机械稳定的情况下，固-液界面，但结晶亚稳。
2023-02-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Crystallization of Supercooled Liquid Elements Induced by Superclusters Containing Magic Atom Numbers
一些实验已经检测到二十面体超团簇在过冷液体中的存在，证实了Franck提出的这种实体可能是均匀成核的。这些超团簇在高于晶体熔化温度Tm的熔体中存活，因为它们所有的表面原子具有与它们的核心原子相同的熔化热，并且通过它们的核心中的液体的均匀成核而熔化，这取决于过热时间和温度。与目前的想法完全相反，需要很长的时间来熔化它们并在Tm以上达到热力学平衡。当它们未熔化时，它们在过冷熔体的温度Tc下充当结晶相的异质生长核。它们有助于降低临界势垒，临界势垒变得比含有相同原子数n的晶体更小。过冷率总是有限的，即使在热力学平衡的液体中，因为13个原子的超团簇的均匀成核降低了能垒，并增加了Tc以上的均匀成核温度等于Tm/3的液体元素。弱过热后，最稳定的超团簇包含n = 13，55，147，309和561的原子生存或熔化，并确定在过冷，这取决于n和样品体积的Tc。在没有任何可调参数的情况下，使用变化近18个数量级的样品体积，预测了32个液体元素的实验成核温度Tc和超团簇的熔化温度。经典的吉布斯自由能变化被使用，增加了与超团簇形成相关的拉普拉斯压力变化相关的焓节省，这是量化的，并且对于n = 13和55强烈减弱。
2014-07-28 cond-mat.mtrl-sci
The size effect on nucleation process during solidification of metals
本文通过对比薄平板和块体样品，揭示了金属凝固形核过程中尺寸效应的影响：平板样品形核主要受模具壁表面活性控制，而块体样品还受杂质、温度和密度涨落等因素共同作用。
2025-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-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
Crystal nucleation as the ordering of multiple order parameters
成核是一个活化过程，其中系统必须克服自由能垒，以便在亚稳相和稳定相之间发生一级相变。在液体到固体的转变中，该过程发生在不同对称性的相之间，因此它本质上是一个多维过程，其中所有对称性在转变处被打破。在这篇焦点文章中，我们考虑了一些最近的研究，突出了成核过程的多维性质。即使对于单组分体系，从亚稳熔体形成固体晶体也涉及两个（或更多）序参量的波动，通常与位置和取向对称性破缺的解耦有关。换句话说，我们需要至少两个序参量来描述一个系统的自由能，包括它的液态和晶态。这种解耦自然发生在非对称粒子或定向相互作用中，这里重点讨论水的情况，但我们将证明它也影响球对称相互作用粒子，如硬球系统。我们将展示如何处理成核作为一个多维的过程中，揭示了新的光的多晶型选择的过程中，外部场的成核过程中的影响，和玻璃形成能力。
2016-11-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Overcoming the time limitation in Molecular Dynamics simulation of crystal nucleation: a persistent-embryo approach
在大多数情况下，从液体晶体成核是太罕见的传统分子动力学（MD）模拟的有限的时间尺度内访问。在这里，我们开发了一种“持久胚胎”的方法，以促进晶体成核的MD模拟，防止小晶体胚胎熔化使用外部弹簧力。我们将这种方法应用到纯Ni的情况下，一个温和的过冷度，没有形核可以观察到在传统的MD模拟，并获得与实验数据吻合良好的形核率。此外，该方法适用于模拟一个更缓慢的事件：在一个强大的玻璃形成Cu-Zr合金的B2相的成核。在相同的过冷度下，形核速率比Ni小8个数量级，这很好地解释了合金良好的玻璃成形性。因此，我们的工作开辟了一个新的途径来研究凝固在现实的实验条件下，通过原子计算机模拟。
2018-02-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 3. The Correspondence Between Ice Growth from Water Vapor and Ice Growth from Liquid Water
我们研究冰晶生长的水蒸气在温度接近的熔点，当表面预熔化在固体/蒸汽界面处创建一个quasiliquid层。最近的冰生长测量作为蒸汽过饱和度的函数已经证明了在这些温度下在基底表面上的大量成核势垒，从该成核势垒中可以使用经典成核理论提取分子阶跃能量。额外的冰生长测量从液态水作为一个功能的过冷表现出类似的成核障碍的基础表面上，产生大约相同的分子阶跃能量。这些数据表明，从水蒸气和从液态水的冰生长都很好地描述了基本上相同的基本成核现象在相当大的温度范围内。一个物理图片是新兴的，其中在固体/液体，固体/准液体，和固体/蒸汽界面的分子阶跃能量创建成核障碍，占主导地位的冰在广泛的条件下的生长行为。由于阶跃能量是一个平衡量，就像表面融化是一个平衡现象，存在着相当大的机会，使用多体模拟的冰表面结构和能量平衡，以更好地了解许多动态方面的冰晶生长。
2014-07-02 cond-mat.mtrl-sci
Phase Field Theory of Heterogeneous Crystal Nucleation
发展了一种模拟过冷纯液体与尖壁接触时的润湿和异质晶体形核的相场方法。我们讨论了壁面边界条件的各种选择，并确定了临界核的性质，包括它们的形成自由能和作为过冷度函数的接触角。我们发现，对于特定的边界条件选择，我们可以实现经典球冠模型的模拟或决定性的非经典行为，其中接触角从其在熔点处的值朝向在临界过冷度处的完全润湿减小。
2006-08-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Super nucleation and orientation of poly (butylene terephthalate) crystals in nanocomposites containing highly reduced graphene oxide
在还原氧化石墨烯（RGO）的存在下，通过开环聚合将环状对苯二甲酸丁二醇酯聚合成聚对苯二甲酸丁二醇酯（pCBT），是制备聚合物纳米复合材料的有效方法。包含RGO纳米片显著影响pCBT的结晶，使结晶峰温度向更高的温度移动，并且总体上增加结晶速率。这是由于由RGO引起的超级成核效应，其通过高度还原的氧化石墨烯而最大化。此外，通过差示扫描量热法（DSC）实验和广角X射线衍射（WAXS）的组合分析显示形成了厚的α-结晶形式pCBT薄片，其熔点为约250 °C，接近pCBT的平衡熔融温度。WAXS还证明了pCBT晶体与RGO纳米片的成对取向，表明pCBT和RGO平面的芳环之间存在强的界面相互作用，特别是与高度还原的氧化石墨烯。聚合物在RGO纳米片上的这种表面自组织可以用于增强其聚合物纳米复合材料中的界面性质。
2017-10-26 cond-mat.mtrl-sci
Divining the Shape of Nascent Polymer Crystal Nuclei
我们证明了初生聚合物晶体（即，核）是各向异性实体，与先前的假设相反，既不具有球形几何形状也不具有圆柱形几何形状。事实上，圆柱形、球形和其他高度对称的几何形状在物理上是不利的。此外，后临界转变是必要的，以实现最终出现在半结晶聚合物的结晶过程中的laminate。我们还强调了聚合物成核的不准确处理如何导致实质性错误（例如，预测成核速率的数量级差异）。这些见解是基于对来自典型缠结聚乙烯熔体结晶的400多万个晶体簇的定量分析。新的全面的自下而上的模型需要捕捉聚合物成核。
2019-08-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Identification of a Multi-Dimensional Reaction Coordinate for Crystal Nucleation in $\text{Ni}_3\text{Al}$
多组分合金凝固过程中的形核是一个复杂的过程，包括不同晶相之间的竞争以及化学成分和有序性。在这里，我们结合过渡界面采样与广泛的提交人分析，探讨原子机制在成核的初始阶段在$\text{Ni}_3\text{Al}$。从熔体中的结晶团簇的形成和生长受到三个描述符之间的相互作用的强烈影响：新兴核的大小，结晶度和化学短程有序。我们证明，它是必不可少的，包括所有三个功能在一个多维的反应坐标正确描述的成核机制，特别是化学短程秩序起着至关重要的作用，在小集群的稳定性。识别多维反应坐标的必要性，预计将是非常重要的原子表征的成核过程中的复杂，多组分系统。
2020-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation nucleation in shocked fcc solids: effects of temperature and preexisting voids
本文用分子动力学模拟方法研究了面心立方Lennard-Jones固体模型Ar在冲击波作用下位错形核的定量行为。在理想晶体中，发现Hugoniot弹性限度（HEL）是温度的线性递减函数：从接近零度到熔化温度。在有缺陷的晶体与空隙，位错被发现成核的空隙表面上。当空穴半径为3.4纳米时，HEL也急剧下降到完美晶体的15%。随着空穴半径的增大，HEL的下降幅度增大，但HEL对温度的变化不敏感。
2005-03-01 cond-mat.mtrl-sci
Surface tension estimation of bubble nuclei in magma using spinodal pressure and nonclassical nucleation theory
本研究提出利用Gibbs能曲线确定旋节线压力并代入非经典成核理论公式，以估算岩浆气泡核表面张力，发现非经典公式所得结果较分散，指出需综合理解表面张力对过饱和度与气泡半径的依赖。
2025-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.class-ph
Preferential Composition during Nucleation and Growth in Multi-Principal Elements Alloys
本文通过分子动力学模拟五元等原子比 CoCrCuFeNi 合金的结晶，发现内能驱动的择优成分分布使晶核富集 Fe 和 Co，并导致纳米尺度短程有序与成分梯度。
2023-10-23 cond-mat.mtrl-sci
Equilibrium Fluid-Crystal Interfacial Free Energy of Bcc-Crystallizing Aqueous Suspensions of Polydisperse Charged Spheres
界面自由能是亚稳熔体结晶过程中的一个中心量。在带电胶体球的悬浮液中，成核和生长动力学可以从光学实验中准确地测量。在以前的工作中，从这个数据有效的非平衡值之间的界面自由能的新兴体心立方核和相邻的熔体在依赖于熔体相和结晶相之间的化学电势差，使用经典的成核理论。观察到界面自由能的严格线性增加作为增加的亚稳定性的函数。在这里，我们进一步分析了五个带电球体和一个二元混合物的水悬浮液的数据。我们利用一个简单的外推方案，并解释我们的研究结果，鉴于特恩布尔的经验规则。我们的第一个估计的减少界面自由能，$σ_{0,bcc}$，共存的平衡流体和bcc-晶体相之间是几个$k_BT$的顺序。它们的值是不相关的任何静电相互作用参数，而是显示出系统的减少，增加尺寸多分散性和较低的值的混合物相比，纯组分。同时，$σ_0$与冻结熵也呈现近似线性相关。因此，严格单分散带电球体的平衡界面自由能可能更大。
2015-12-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Direct calculation of the hard-sphere crystal/melt interfacial free energy
我们提出了一个直接计算的晶体/熔体的界面自由能，$γ$，直径$σ$硬球系统的分子动力学计算机模拟。计算是通过热力学积分沿解理定义的可逆路径，使用专门构造的可移动硬球壁，单独的大块晶体和流体系统，然后合并，形成一个接口。我们发现界面自由能具有轻微的各向异性，对于（100）、（110）和（111）面心立方晶体/流体界面，$γ$分别为0.62 $\pm 0.01$、0.64 $\pm 0.01$和0.58 $\pm 0.01 k_BT/σ^2$。这些值与较早的密度泛函计算和最近测量聚苯乙烯球的胶体流体的晶体成核速率的实验一致，这些实验已经被解释[Marr和Gast，Langmuir { \bf 10}，1348（1994）]以给出$0.55 \pm 0.02 k_BT/σ^2$的硬球系统的$γ$的估计，略低于这里报道的直接测定值。
2000-07-03 cond-mat.mtrl-sci
Silicon liquid structure and crystal nucleation from ab-initio deep Metadynamics
研究硅的结晶过程是一项具有挑战性的任务，因为经验势不能很好地再现半导体固体和金属液体的性质。另一方面，成核是一个罕见的事件，发生在更长的时间尺度比那些可实现的从头算分子动力学。为了解决这个问题，我们训练了一个深度神经网络势，它基于一组使用经典势的Metadomics模拟生成的数据。我们展示了这是如何有效地收集感兴趣的过程的所有相关数据的方法。为了有效地驱动结晶过程，我们引入了一个新的集体变量的基础上德拜结构因子。我们能够编码的长程序信息在一个局部变量，这是更适合描述的成核动力学。然后使用SCAN交换相关泛函计算参考能量，这能够更好地描述Si相图的成键复杂性。最后，我们恢复了自由能面与DFT精度，我们计算的热力学性质附近的熔点，获得了良好的协议与实验数据。此外，我们还研究了结晶过程的早期阶段，揭示了成核机制的特点。
2019-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Effect of the surface-stimulated mode on the kinetics of homogeneous crystal nucleation in droplets
本文提出了一元液滴中均匀晶核形成的动力学理论，考虑到晶核不仅可以以体积为基础的方式形成（所有的晶面都在液滴中），而且可以以表面受激的方式形成（其中一个晶面在液滴表面）。先前开发的表面刺激晶体成核热力学严格地表明，如果晶体的至少一个小平面仅部分地被其熔体包围，那么在液滴表面而不是在液滴内与该小平面形成核在化学上更有利。然而，到目前为止，这一现象的动力学方面还没有得到研究。在本论文中提出的理论主张，即使在表面受激模式晶核最初出现（作为亚临界集群）均匀的次表面层，而不是“伪非均匀”的表面。均匀出现的亚临界晶体由于密度和结构的波动可以成为表面激发核。这种效应有助于晶体成核的总速率（如基于体积的模式那样）。导出了晶体成核总速率的显式表达式。水滴的数值计算表明，表面刺激模式可以显着提高每个粒子的晶体成核率在液滴的半径为10微米大。可能的实验验证所提出的理论进行了讨论。
2008-01-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Capturing Nucleation at 4D Atomic Resolution
成核在许多物理和生物现象中起着关键作用，从结晶、熔化和蒸发到云的形成和神经退行性疾病的引发。然而，成核是一个具有挑战性的过程，在实验中研究，特别是在早期阶段，当几个原子/分子开始形成一个新的阶段，从它的母相。在这里，我们先进的原子电子断层扫描研究早期阶段的成核在4D原子分辨率。以FePt纳米粒子为模型系统，揭示了早期原子核的不规则形状，每个原子核都有一个由一个或几个具有最大序参量的原子组成的核，并且从核到核的边界呈现序参量梯度.我们捕获的结构和动力学的相同的核经历的生长，波动，溶解，合并和/或分裂，这是由序参量分布及其梯度。这些实验观察不同于经典的成核理论（CNT），并解释它们，我们提出了序参量梯度（OPG）模型。我们表明，OPG模型概括CNT和大力有利于扩散界面的小核和尖锐的界面大核。我们进一步证实了这个模型，使用分子动力学模拟的异质和均匀成核的液-固相变的Pt。我们预计OPG模型适用于不同的成核过程，我们的实验方法打开了大门，研究材料的结构和动力学与4D原子分辨率。
2019-02-28 cond-mat.mtrl-sci
Crystal Growth Rates from Molecular Liquids: The Kinetics of Entropy Loss
本文从理论上解释了熔体晶体生长中由熔化熵导致的速率减慢现象，通过平坦能量景观模型分离熵损失与能量损失过程，并给出以界面自由能表示的耦合强度表达式，同时讨论了其对成核动力学的影响。
2023-04-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Probing the dynamics of quasicrystal growth using synchrotron live imaging
准晶生长的动力学是凝聚态物质中一个尚未解决的问题。通过同步辐射实时成像，刻面生长进行的切向运动的凸台在固-液界面上清楚地证明了所有沿凝固的二十面体AlPdMn准晶。界面动力学的影响是显着的，使新的小面晶粒的形核和自由生长发生在熔体中的凝固速率增加时。详细解释了这些晶粒的演化，揭示了铝排斥在毒化晶粒生长和驱动流体流动中的关键作用。
2005-07-06 cond-mat.mtrl-sci
