Ice Nucleation on Carbon Surface Supports the Classical Theory for Heterogeneous Nucleation
60多年前建立的经典非均质成核理论对自然界中非均质成核现象的普遍存在作了定性的解释，但该理论的定量有效性和关键结论至今仍未得到证实。采用前向通量采样方法和粗粒水模型mW，我们显式计算了不同温度下石墨表面过冷水中的非均质冰成核率。独立计算的冰成核速率被发现适合根据非均质成核的经典理论。拟合过程进一步产生的效力因子的估计，其措施的比例的异质成核势垒的均匀成核势垒。值得注意的是，估计的效力因子同意定量的临界核之间的异质和均匀的成核的体积比。因此，我们的数值研究提供了一个强有力的支持，定量的力量的理论，并允许了解冰成核行为下最相关的冻结条件。
2015-04-06 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Some peculiarities of water freezing at small sub-zero temperatures
我认为水冻结的动力学，并表明，在小零度以下的温度下，（一）冰成核的时间内散装水环境是巨大的，因此不能发生在湖泊中的活细胞;（ii）冰成核需要一些冰结合表面才能发生，但是（iii）即使这种冰成核也可以发生，通常，只有在低于0摄氏度的温度下才能发生。此外，我讨论的因素，可以大大减少冰成核时间在接近零的温度都在开放的水库，水与空气接触，并在细胞中，没有这样的接触。
2020-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Heterogeneous Seeded Molecular Dynamics as a Tool to Probe the Ice Nucleating Ability of Crystalline Surfaces
冰成核在许多自然和技术过程中起着重要的作用，但由于所涉及的时间短（ns）和长度尺度短（nm），因此实验研究具有挑战性。另一方面，传统的分子模拟很难处理临界冰核形成所需的相对较长的时间尺度。解决这个问题的一种方法是利用自由能或路径采样技术。不幸的是，这些计算成本很高。种子分子动力学是一种要求低得多的替代方法，已经成功地应用于研究水的均匀冻结。然而，在非均质冰成核的情况下，自然界最喜欢的形成冰的途径，必须在冰种子和感兴趣的基质之间建立一系列合适的界面-这不是一项简单的任务。在本文中，我们提出了一个异质SEEDing方法（HSEED），利用随机结构搜索框架来解决冰基板的挑战，从而使种子分子动力学模拟的异质冰成核晶体表面。我们验证HSEED框架通过研究成核的冰：（i）模型晶体表面，使用粗粒度mW模型;和（ii）胆固醇晶体，采用完全原子的TIP 4P/冰水模型。我们表明，HSEED技术产生的结果与metadaptics和前向通量采样模拟非常一致。由于其计算效率，HSEED方法允许人们快速评估整个晶体基质库的冰成核能力-这是大气科学等领域期待已久的计算发展。
2018-06-15 cond-mat.mtrl-sci
Molecular simulations of heterogeneous ice nucleation. II. Peeling back the layers
提出了粗粒度分子动力学模拟，其中研究了冰成核速率对石墨烯纳米片的亲水性的敏感性。我们发现，存在一个最佳的相互作用强度，促进冰成核，这与以前发现的面心立方（111）表面。我们进一步研究的作用，分层的界面水在非均质冰成核，并证明分层的程度是不是一个很好的指标，所有表面的冰成核能力。我们的研究结果表明，要成为一个有效的冰成核剂，表面不应该结合水太强，如果它能够容纳高覆盖率的水。
2015-05-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Heterogeneous ice nucleation on model substrates
Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）；Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）
研究通过分子模拟分析不同晶格结构对冰核化能力的影响，揭示晶面和晶格参数对冰核化的关键作用，并利用经典成核理论估算接触角和自由能壁垒。
2026-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Proton strings and rings in atypical nucleation of ferroelectricity in ice
普通冰具有质子无序相，其在动力学上是亚稳态的，在残留鲍林熵持续存在的低温下不能自发地达到铁电（FE）基态。在低温下轻掺杂KOH时，发生了向Fe冰的转变，但其微观机制仍有待澄清。我们引入了一个晶格模型的基础上偶极相互作用加上一个竞争，令人沮丧的长期执行冰规则（IR）。在没有IR破坏缺陷的情况下，标准蒙特卡罗（MC）模拟使这个冰模型停留在具有正确鲍林熵的无序质子环构型的状态。副本交换加速MC采样策略成功，没有开放路径移动，接口，或非晶格配置，在平衡这种无缺陷的冰，达到其低温FE通过一个明确的一阶相变顺序。当模仿KOH杂质的质子空位被植入IR守恒晶格中时，它们使标准MC模拟能够工作，揭示了在转变温度以下从质子无序到部分FE有序的冰演化的动力学。取代了普通的成核作用，每个杂质都打开了一个质子环，产生了一个线性的弦，一个随时间膨胀的真正的FE氢键线。与自旋冰的描述类似，这些杂质诱导的弦也被认为存在于掺杂的水冰中，那里的红外线甚至更强。新兴的机制产生的依赖性的长时间的FE阶分数掺杂剂浓度，并在淬火温度，这与已知的在现实生活中的KOH掺杂的冰相比有利。
2020-12-29 cond-mat.mtrl-sci
An extreme value statistics model of heterogeneous ice nucleation for quantifying the stability of supercooled aqueous systems
该研究提出结合泊松统计与双变量极值统计的异质冰核化模型，以同时捕捉核化的时间依赖性和样本间变异性，并通过生理盐水实验量化冻结概率，为稳定过冷生物保存方案的设计提供依据。
2023-04-20 cond-mat.mtrl-sci
The Microscopic Features of Heterogeneous Ice Nucleation May Affect the Macroscopic Morphology of Atmospheric Ice Crystals
令人惊讶的是，水很难冻结。几乎所有在“温和”条件下（温度> -40摄氏度）形成的冰都需要成核剂的存在-一种促进冻结过程的固体颗粒-如粘土矿物粉尘，烟灰或细菌。在计算机模拟中，这种冰成核剂的存在不一定减轻与在可获得的时间尺度上形成冰相关联的困难。然而，在这项工作中，我们提出的结果从分子动力学模拟中，我们系统地比较均匀和非均匀的冰成核，使用大气中重要的粘土矿物高岭石作为我们的模型冰成核剂。从我们的模拟中，我们确实发现高岭石是一种优秀的冰成核剂，但与传统思想相反，冰的非基面可以在高岭石的基面上成核。我们看到，在液相中，高岭石表面对水的密度分布具有剧烈的影响，水形成致密的、紧密结合的第一接触层。监测水密度的时间演变揭示了远离界面的变化可能在成核机制中起重要作用。这项工作的结果表明，非均质冰成核剂不仅可以提高冰成核速率，而且还可以改变所形成的冰晶的宏观结构。
2014-04-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Homogeneous nucleation of ice
冰成核是物理、化学、工艺和环境科学中的一个重要过程，人们在理论和实验上对它进行了大量的研究，但它仍然是一个热门的研究课题。我们揭示了这一现象，通过执行基于原子的模拟。使用metadaptics和一组精心设计的集体变量，能够模拟水和冰之间的可逆转换。在全原子TIP 4P/Ice模型下，发现水冻结成一种堆积无序结构，揭示了微观水平上的临界成核特征。我们的研究结果与最近的实验和其他理论工作，并确认成核之前，大量增加四面体配位的水分子。
2019-01-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Effects of surface interactions on heterogeneous ice nucleation for a monatomic water model
尽管它在大气科学中的重要性，仍有很多关于非均质冰成核的微观机制未知。在这项工作中，我们进行混合蒙特卡罗模拟的非均质成核的冰在一系列的通用表面，平面和结构，以探讨影响成核过程的基本因素。我们研究的结构化表面包括一个基面双层冰与不同的晶格参数和相互作用强度。我们表明，决定成核的倾向不仅是表面的吸引力，但也施加在表面附近的液态水的取向顺序。特别是，改变表面的吸引力和取向有序的比例可以改变成核发生的机制：即使当表面施加的取向有序很弱时，冰也可以在结构化表面上成核，因为与表面强烈相互作用的水分子本身就是进一步生长的良好模板。我们还表明，晶格匹配是重要的异质形核的结构化表面上，我们研究。我们合理化这些蛮力模拟结果，明确计算的界面自由能的冰和液态水接触的成核表面和它们的变化与表面相互作用参数。
2014-04-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Microscopic Mechanism and Kinetics of Ice Formation at Complex Interfaces: Zooming in on Kaolinite
大部分自然中的冰都是由杂质形成的，这些杂质提高了纯净过冷水极低的成核率。然而，这些物质上的冰成核的微观细节在很大程度上仍然未知。在这里，我们揭示了高岭石（一种在气候科学中起关键作用的粘土矿物）上冰形成的分子机制和动力学。我们发现，在这种粘土的存在下，在强过冷冰的形成是20个数量级的速度比均匀冻结。临界核是基本上小于均匀成核，并在经典成核理论（CNT）的预测相反，它具有很强的2D字符。尽管如此，我们表明，碳纳米管正确地描述了冰在这个复杂的接口的形成。高岭石还促进了六方冰的唯一成核，而不是观察到立方和六方多型体的混合物的均匀冷冻。
2016-11-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
What Makes a Good Descriptor for Heterogeneous Ice Nucleation on OH-Patterned Surfaces
水的冻结可以说是地球上最常见的相变之一，而且几乎总是不均匀地发生。尽管它的重要性，我们缺乏一个基本的了解是什么使基板有效的冰核。在这里，我们解决这个问题，通过计算冰成核（IN）的能力，许多模型羟基化基板与不同的表面羟基（OH）基团的安排。总体而言，对于所考虑的基板，我们发现，无论是对称性的OH图案，也没有基板和冰之间的相似性以及相关的IN能力。相反，我们发现，OH密度和基板-水的相互作用强度是有用的描述材料的IN能力。这种见解允许在广泛的材料中冰成核能力的合理化，并可以帮助未来寻找和设计新的有效的冰成核剂。
2017-09-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Ice Formation via Deposition Mode Nucleation on Bare and Alcohol-covered Graphite Surfaces
水在气溶胶颗粒上的沉积有助于在大气中形成冰云，对地球上的水循环和气候产生影响。非均质冰成核过程受基质物理化学性质的影响，但其机制仍不完全清楚。在这里，我们报告冰的形成裸和酒精覆盖的石墨在175至213 K的温度下，探测弹性氦和光散射。水在裸露的和丁醇覆盖的石墨上具有低润湿性，导致粗糙的冰表面的生长。相比之下，预吸附的甲醇提供亲水性表面位点，并导致形成光滑的结晶冰;亚单层甲醇覆盖的效果也很明显。醇主要存在于冰表面和冰-石墨界面处，其中小部分被掺入到生长的冰结构中。甲醇对气/固水蒸气交换没有明显的影响，而丁醇作为水的传输屏障，导致在185 K下冰蒸发速率的降低。沉积模式冻结的描述的影响进行了讨论。
2013-09-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Effect of substrate mismatch, orientation, and flexibility on heterogeneous ice nucleation
Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）；Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）
研究基底结构不匹配、取向和灵活性对冰成核的影响，发现结构不匹配增加会降低成核温度，而灵活基底能更有效地促进冰形成。
2026-01-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The barrier to ice nucleation in monatomic water
从过冷液体的结晶最初通过形成小的固体胚（核）进行，这需要克服活化势垒。这种现象是最容易研究的数值模拟，使用专门的偏置采样技术，以克服所施加的限制，罕见的成核事件。在这里，我专注于在过冷水中的均匀冰成核的障碍，所代表的单原子水模型，在散装表现出不同的冰结构之间的复杂的相互作用。我认为各种协议，以确定solidlike粒子在计算机上，表现足够好的Lennard-Jones模型，并比较各自的影响的形状和高度的成核势垒。结果表明，这种效应对晶核尺寸的影响比对势垒高度的影响更大。作为一个副产品的分析，我确定的成核集群的结构，发现在集群中的冰相的相对量在很大程度上取决于用于分类solidlike颗粒的方法。此外，取决于所采用的成核坐标，在结晶的早期阶段期间最有利的相可能与稳定的多晶型物不同。因此，不能简单地根据所获得的势垒高度来评估反应坐标的质量。我解释了这个结果是如何可能的，为什么它只是指出了集体变量的缺点，适合简单的流体在提供一个强大的方法，单原子水的粒子分类。
2018-04-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Measurements of Growth Rates of (0001) Ice Crystal Surfaces
我们测量了在$-2$ $\geq T\geq -40$ C温度范围内冰的（0001）小平面表面的生长速率作为水蒸气过饱和度的函数。从这些数据中，我们推断的温度依赖性的预融的基础表面和预融的影响上的冰的生长动力学。在这个整个温度范围内的生长是一个简单的二维成核模型，允许测量的临界过饱和度$σ_{0}(T)$作为温度的函数一致。我们发现，2D的成核势垒基本上减少时，预熔层部分开发，所示的减少$σ_{0},$，而障碍是较高的预熔层完全不存在或完全开发。
2011-10-26 cond-mat.mtrl-sci
A first-principles machine-learning force field for heterogeneous ice nucleation on microcline feldspar
本研究开发了基于第一性原理的机器学习力场，用于模拟微斜长石表面的冰成核，高保真复现DFT能量与力，并揭示表面终止偏好及水结构，为计算成核自由能垒奠定基础。
2023-05-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Ice is Born in Low-Mobility Regions of Supercooled Liquid Water
当冰晶从液态水中诞生时，会发生两个关键的变化：（i）分子有序;（ii）分子的流动性随着它们采用晶格位置而下降。大多数关于冰成核（和一般的结晶）的研究都集中在理解前者，而对后者的关注较少。然而，过冷水表现出迷人的和复杂的动力学行为，最显着的动力学不均匀性（DH），空间分离的相对移动和不移动的粒子共存的现象。引人注目的是，水的DH和冰的成核之间的微观联系还没有在分子水平上直接解开。在这里，我们通过计算机模拟来解决这个问题，它揭示了：（i）冰成核发生在液体的低流动性区域;（ii）有一个动态的潜伏期，在此期间，分子的流动性下降之前，任何冰状排序;和（iii）冰状集群引起周围水分子的动力学被捕。有了这个，我们建立了一个明确的动力学和成核之间的联系。我们预计，我们的研究结果将铺平道路的检查中的作用，动力学的异质性和解决方案为基础的成核。
2018-12-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
How to Quantify and Avoid Finite Size Effects in Computational Studies of Crystal Nucleation: The Case of Heterogeneous Ice Nucleation
晶体成核的计算研究可能受到有限尺寸效应的影响，主要是由于晶核与其周期性图像之间的非物理相互作用。然而，由于成核研究的计算成本很高，系统地研究成核动力学和机理对系统尺寸的敏感性并不总是可行的。在这里，我们使用跳跃向前通量采样准确地计算率的非均质冰成核在附近的方形模型无结构的冰成核颗粒（INPs）的不同大小，并确定三个不同的制度的依赖率的INP尺寸，$L$。对于小的INPs，由于人为跨越周期性边界的临界核，速率是$L$的强函数。然而，中等大小的INPs引起非跨越'近端'核的出现，这些核足够接近它们的周期性图像以完全构造中间液体。虽然这种接近可以促进成核，但其效果被中间液体的较高密度所抵消，导致总体上人为地小的成核速率。在大的INPs形成的临界核既不跨越也不接近。然而，速率是$L$的弱函数，其对数与$1/L$成线性比例。从这些观察中出现的关键启发是，如果临界核既不跨越也不接近，并且如果中间液体具有在相同条件下与过冷液体结构上不可区分的区域，则有限尺寸效应将是最小的。
2021-01-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Homogeneous ice nucleation in an ab initio machine learning model of water
分子模拟提供了有价值的深入了解的微观机制下均匀的冰成核。虽然经验模型已被广泛用于研究这一现象，但迄今为止，基于第一性原理计算的模拟被证明过于昂贵。在这里，我们通过使用在密度泛函理论（DFT）能量和力上训练的高效机器学习模型来规避这个困难。我们计算成核率在大气压下，在广泛的过冷，使用播种技术和系统的从头计算精度模拟高达数十万个原子。播种技术提供的关键量是临界簇的大小（即，尺寸使得团簇在给定的过饱和度下具有相等的生长或熔化概率），其与经典成核理论的方程一起用于计算成核速率。我们发现，我们的模型在适度的过冷度的成核率是在我们的计算误差与实验测量吻合得很好。我们还研究了热力学驱动力，界面自由能，堆积无序等性能的影响计算速率。
2022-08-24 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Imperfectly coordinated water molecules pave the way for homogeneous ice nucleation
本研究利用具备从头算精度的DNN势能和36 μs分子动力学轨迹，揭示过冷水中IC与PC水分子通过竞争协作驱动均匀冰核化的微观机制。
2023-04-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene
水的界面行为仍然是蛋白质折叠、摩擦和冰形成等领域的中心问题[1，2]。虽然水在界面处的结构和动力学性质与在本体中的结构和动力学性质有很大不同，但我们在分子水平上的知识仍然存在重大差距，使我们无法理解这些无处不在的化学过程。关于水的微观运动的信息主要来自计算机模拟[3，4]，但原子尺度上的分子动力学在很大程度上未通过实验探索。在这里，我们提出的实验结果结合从头计算提供了一个详细的洞察水单体的石墨烯表面上的行为。我们表明，运动发生在石墨烯晶格上的激活跳跃。由于单体之间的排斥力，水扩散的动力学显示出非常强的合作行为的签名。的排斥力提高单体的寿命（$t_m \approx 3$在$T_S = 125$ K）在$\textit{free-gas}$阶段之前的冰岛的成核，反过来，提供了我们的实验进行的机会。我们的研究结果提供了一个独特的分子视角的障碍，冰成核的材料表面，提供了新的途径来理解和潜在的控制更一般的冰形成过程。
2021-03-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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
Controllable Freezing Transparency for Water Ice on Scalable Graphene Films on Copper
本研究首次提出石墨烯在铜上的“冻结透明性”概念，发现CVD石墨烯不改变铜上水冻结温度曲线，且通过化学功能化可实现对冻结行为的可控调节或消除透明性。
2024-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Managing Systematic Errors in Ice Crystal Growth Experiments
我们描述了如何表面相互作用可以通过降低冰表面上的正常成核势垒来影响与衬底接触的冰晶小平面的生长。我们还描述了如何得到的增强的生长速率可以产生系统误差，即使在测量不接触衬底的小平面的生长。从扩散动力学的分析，然后我们开发了一个简单的程序近似校正冰生长数据，从而大大减少这些系统误差。我们已经发现，这种技术是非常有用的解释冰的生长数据和提取的内在附着系数的冰面。
2012-08-24 cond-mat.mtrl-sci
Seeding ice growth at ambient conditions using nano graphene oxide
由于表面的非极性和水的高蒸汽压，在环境条件下疏水表面上的水润湿是不允许的。然而，亚毫米大小的亲水性斑块的存在允许沙漠甲虫的蜡状翅膀被晨雾覆盖。在这里，我们表明，喷洒的氧化石墨烯纳米片（nanoparticles）是有效的冷凝水纳米滴和播种冰外延石墨在环境条件下。通过控制相对湿度和nanoGO密度，我们能够在20小时的时间尺度上研究完整的冰润湿层的形成。这为使用非接触式原子力显微镜实时可视化冰成核和生长提供了前所未有的机会。奥斯特瓦尔德在1897年提出的结晶阶段首次在微观水平上完全展开。我们获得的实时图像的顺序相变从无定形冰到一个短暂的立方冰Ic阶段，最后到稳定的六边形冰Ih。最有趣的是，我们发现冰的成核和生长可以通过修饰nanoGO的官能团以及nanoGO之间的分子间氢键来影响。这提供了一种控制非均匀冰成核和雪晶形成的策略。
2013-07-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Stabilization of AgI's polar surfaces by the aqueous environment, and its implications for ice formation
碘化银是已知的最有效的无机冰成核颗粒之一，这一特征通常归因于其基底Ag-（000 - 1）和I-（000-1）表面与冰之间的优异晶格匹配。然而，该晶体终止是III型极性表面，并且其表面能因此随晶体尺寸发散，除非极性补偿机制占优势。在这个模拟研究中，我们调查到什么程度周围的水环境能够提供这样的极性补偿。我们发现，纯水本身无法以物理上合理的方式稳定碘化银晶体，而移动的载流子如溶解的离子是必不可少的。换句话说，邻近的溶解离子必须被认为是异质冰形成机制的一个组成部分。我们进行的模拟利用最新进展的模拟方法，其中施加适当的电场和电位移场。这项研究的一个有用的副产品是与常用的Yeh-Berkowitz方法进行直接比较。在这里，我们发现，天真的应用后者导致物理上不合理的结果，并大大影响了水的结构在接触层。因此，我们希望这些结果是普遍的重要性，在水环境中的极性/带电表面的研究。
2020-06-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
An Ice Structuring Mechanism for Zirconium Acetate
冰的成核和生长的控制在许多自然和工程情况下是至关重要的。然而，很少有化合物能够直接与冰晶表面相互作用。在某些鱼类、植物和昆虫中发现的冰结构蛋白质与冰的表面结合，从而控制它们的生长。我们最近揭示了醋酸锆的冰结构性质，这是类似于那些冰结构蛋白质。作为一种盐，因此不同于具有冰结构特性的蛋白质，其冰结构机制仍然未阐明。在这里，我们通过醋酸锆的浓度和冰晶生长速度的作用来研究这种冰结构化机制。然后，我们探索其他化合物呈现类似的官能团（乙酸酯，羟基或羧基）。基于这些结果，我们提出，醋酸锆采用羟基桥接的聚合物结构，可以通过氢键结合到冰晶的表面，从而减缓冰晶的生长。
2018-03-29 cond-mat.mtrl-sci
Kinetics of Stacking Order Evolution During Heterogeneous Ice Formation
Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所，凝聚态物理国家实验室）；School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学物理科学学院）；Peking University（北京大学）
研究揭示了异质冰形成过程中堆叠顺序演化的原子机制，通过表面约束和对称性破缺的相互作用，阐明了冰结晶的生长机制及先进材料设计的指导原则。
2026-02-28 cond-mat.mtrl-sci
d-SEAMS: Deferred Structural Elucidation Analysis for Molecular Simulations
本研究推出免费开源的分子模拟后处理引擎d-SEAMS，可定性分类体相及受限体系冰结构，支持定制扩展，输出兼容主流图形软件，并通过多体系成核分析验证了其功能。
2020-01-13 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus physics.chem-ph
Crystal Growth in the Presence of Surface Melting: Novel Behavior of the Principal Facets of Ice
我们测量了在-2 ℃> T > -40 ℃的温度范围内，水蒸气中冰的主要小平面表面的生长速率作为过饱和度的函数。我们的数据很好地描述了一个无位错层形核模型，参数化的连接系数作为过饱和度的函数α（σ）= Aexp（-σ_0/σ）。测量的基面和棱晶面的参数A（T）和σ_0（T）表现出复杂的行为，这可能源于冰表面结构随温度的变化，特别是当T > -15 ℃时表面融化的开始和发展。从σ_0（T）中我们提取了两个小平面表面的台阶能β（T）作为温度的函数。台阶能β（T）是平衡冰面的一个基本性质，可以用分子动力学模拟计算，从而对冰在三相点附近的神秘表面结构产生新的认识。
2012-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Three-step Formation of Diamonds in Shock-compressed Hydrocarbons: Decomposition, Species Separation, and Nucleation
碳氢化合物的积累和循环决定了冰巨行星的化学演化。在碳氢系统中，已经报道了物种分离和金刚石沉淀，并通过静态和冲击压缩实验进行了验证。然而，上述现象的动态形成过程仍然没有得到充分的理解。在这里，结合深度学习模型，我们证明了钻石的形成是通过三步过程，包括分解，物种分离和成核过程。在125 GPa和4590 K的冲击条件下，烃类分解产生氢和低分子量烷烃（CH 4和C2 H6），这些烷烃从碳链中逃逸，导致C/H物种分离。没有C-H键的剩余碳原子积累并成核形成金刚石晶体。发现金刚石生长过程与一个临界晶核尺寸有关，在此过程中动力学能垒起着关键作用。这些钻石形成的动力学过程对建立冰巨行星演化模型具有重要意义。
2022-08-03 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
A mechanism for ice growth on the surface of a spherical water droplet
Nanchang University（南昌大学）；John A. Logan College（约翰·A·洛根学院）；Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）；KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院）；Qingyuan Innovation Laboratory（清远创新实验室）；Centre of Excellence ENSEMBLE3 Sp. z o. o.（ENSEMBLE3卓越中心有限公司）；University of Warsaw（华沙大学）
本文提出了一种球形水滴表面冰生长的理论机制，揭示了Casimir-Lifshitz相互作用对冰和水生长的促进作用，并探讨了其在雾、云等系统中的影响。
2026-02-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Transition dynamics and metastable states during premelting and freezing of ice surfaces
本研究通过大规模分子动力学模拟揭示冰表面预融化与冻结的转变动力学，发现过冷过热亚稳态及成核过程，并指出表面不均匀性仅加速预融化，堆叠失配阻碍完全冻结。
2023-07-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Novel dynamical effects and glassy response in strongly correlated electronic system
在强关联电子系统$BaCo_{0.9}Ni_{0.1}S_{1.97}$中，我们发现了一种非常规的单斜结构的低温顺磁金属（PMM）相从具有四方结构的高温反铁磁绝缘体（AFI）相的基体中成核的现象.这种非常规的成核导致电阻率下降了几个数量级，在没有外部扰动的情况下，在固定的温度下弛豫。这种新的动力学过程可能是应变场、库仑相互作用、磁关联和无序的竞争引起的。这种竞争可能会阻碍成核，导致缓慢的非指数弛豫和“物理老化”行为。
2007-03-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Surface Induced Crystallization in Supercooled Tetrahedral Liquids
冻结是一种基本的物理现象，已经研究了几十年;然而，表面在决定成核中所起的作用仍然难以捉摸。在这里，我们报告直接的计算证据表面诱导成核的过冷系统与负斜率的熔点线（dP/dT < 0）。这种意想不到的结果与结晶时发生的密度降低和促进初始成核的表面张力有关。我们的研究结果支持了大气中冰的表面诱导结晶的假设，并在原子水平上提供了对广泛使用的半导体成核机制的见解。
2008-12-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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
Structure discovery in Atomic Force Microscopy imaging of ice
本文利用高分辨率AFM结合机器学习、神经网络势和统计采样，解析了Au(111)和Cu(111)上多个高度三维且尺寸较大的新型水团簇的原子结构，为理解冰形成的早期阶段提供了新见解。
2023-10-26 cond-mat.mtrl-sci
Unveiling the Face-Dependent Ice Growth Kinetics: Insights from Molecular Dynamics on the Basal and Prism Surfaces
本研究利用TIP4P/Ice分子动力学模拟并对比mW模型，揭示Ih冰基面与prism1柱面的温度依赖生长速率交叉及其与QLL和晶形转变的关联。
2025-01-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
How to quantify and avoid finite size effects in computational studies of crystal nucleation: The case of homogeneous crystal nucleation
当临界核太接近它们的周期图像时，有限尺寸的伪影出现在成核的分子模拟中。然而，严格确定什么是过于接近是一项重大挑战。最近，我们根据我们对系统尺寸如何影响非均质冰成核速率的研究，设计了用于检测此类伪影的严格的物理学（Hussain，Haji-Akbari，\emph{J. Chem. Phys.} \textbf{154}，014108，\textbf{2021}）。我们确定了跨越周期性边界的临界核的患病率，以及占据图像间区域的液体的热力学和结构特性作为有限尺寸伪影的指标。在这里，我们进一步探讨这种化学的性能，通过检查均匀的晶体成核速率在Lennard-Jones液体的系统尺寸的依赖性。的速率依赖于非单调系统的大小和变化的几乎六个数量级的范围内的系统大小在这里考虑。我们确认，跨越临界核的患病率是有限大小的文物的主要指标，几乎完全解释了所观察到的变化率。然而，由于结晶核的碎裂性质，图像间液体的接近或结构化不是那么强的指示剂。结果表明，对于具有极小分数跨临界核的系统，速率对系统尺寸的依赖性是微妙的。这些观察结果表明，我们的理论普遍适用于不同系统中的不同成核模式（均相和非均相），即使它们对均相成核可能过于严格，例如，在LJ系统中。
2021-11-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Imparting icephobicity with substrate flexibility
冰的积累阻碍了地面和空中基础设施的性能，并对基础设施的安全构成威胁。以前，合理设计的超疏水表面已经证明了一些潜在的被动手段，以减轻积冰;然而，进一步研究的材料解决方案，减少刺穿和接触时间的影响过冷液滴，也可以排斥液滴，在表面接触冻结是迫切需要的。在这里，我们展示了基板的灵活性和表面纳米纹理的协同作用，提高两个cepphobicity和排斥性的粘性液滴。我们首先研究了增加粘度对冲击后的抗刺穿性和液滴-基底接触时间的影响。然后，我们研究了液滴的部分固化反冲和模拟更具挑战性的结冰条件下，通过影响过冷水滴到柔性和刚性表面含有冰成核促进剂。我们证明了一种被动机制脱落部分固化液滴的条件下，部分固化发生得比自然液滴振荡，不依赖于液滴表面能转换成动能快得多。使用基于能量的模型，我们确定了一个以前未探索的机制，即基板振荡和速度管理的反弹过程中，低面密度和适度刚性基板的作用，以有效地吸收传入液滴动能，并纠正它回来，使液滴克服粘附力和重力，反冲。该机制适用于一系列液滴粘度，从低粘度到高粘度流体，甚至冰浆，其不会从刚性超疏水基底反弹。
2018-09-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Effects of solute concentrations on kinetic pathways in Ni-Al-Cr alloys
在g-基体（f.c.c.）中形成共格L12有序y ′-沉淀物的动力学途径。Ni-7.5 Al-8.5 Cr at.%和Ni-5.2 Al-14.2 Cr at.%在873 K下时效的合金，在1/6至1024小时的时效时间范围内通过原子探针层析成像（APT）进行研究;这些合金具有大致相同的γ '-沉淀相的体积分数。在经典成核理论的框架内的相分解的量化表明，这两种合金的y-矩阵固溶体溶质过饱和提供的化学驱动力，其作为成核行为的主要决定因素。在粗化区，y ′-沉淀物平均半径和y-基体过饱和度随时间的变化符合经典粗化模型的预测，而两种合金的y ′-沉淀物数密度随时间的变化则不符合经典粗化模型的预测。APT的结果进行了比较，通过采用Thermo-Calc和大正则蒙特卡罗模拟确定的相关固溶线的平衡计算。
2007-06-26 cond-mat.mtrl-sci
