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结构与动力学

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‘Quintuple point’材料违反了150年的热力学规则

五元点 material
五阶段平衡。图片:ICMS动画工作室

违背已有150年历史的Gibbs相规则,胶体-聚合物混合物的五个不同相可以同时共存,该规则规定只能同时存在三个相。法国和荷兰的研究人员使用代数模型对二元棒-聚合物混合物的热力学进行了研究,得出的结果可能有助于加深我们对复杂系统中相变的理解,并可能在食品加工和涂料制造等领域获得工业应用。

美国物理学家约西亚·威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs)是现代热力学和物理化学的公认创始人。他在1870年代得出的相规则规定了一种物质或多种物质混合物中可以同时存在的最大不同相数。对于纯物质,吉布斯的相则法则最多预测三个相。一个众所周知的例子是水,它可以在所谓的三重点以液体,固体和气体的形式共存。

聚类效应

在新工作中,由 雷姆科·图尼尔(Remco Tuinier)埃因霍温科技大学 模拟了分散在背景溶剂中的两种颗粒类型(杆和聚合物)的胶体混合物的行为。在他们的计算中,他们将棒表示为坚硬的球形圆柱体,将聚合物表示为彼此自由重叠的球体。

“系统可以通过将棒聚集在一起来增加聚合物链的可用空间,” Tuinier解释说。 “这导致混合物中的相分离成两个(或多个)相,其中包含杆富集的相和另一个主要包含聚合物的区域。”

一旦发生这种聚集,较重的杆沉入混合物的底部,导致分离。最终,混合料的下部变得非常拥挤,以至于棒材占据了优先位置,因此它们“彼此之间的距离较小”,图尼尔说 物理世界。因此,杆最终整齐地排列在一起。

五点出现

研究人员在以前的纯棒材和盘状聚合物混合物分散模型的基础上,开发了定量理论,以绘制出其两组分棒状聚合物混合物的完整相图。根据团队成员的计算 文森特·彼得斯,在特定条件下系统中最多会出现五个不同的阶段(参见图片)。在这个“五倍点”,可能性是各向同性气相,顶部不对齐。向列液晶相,棒指向大致相同的方向;层状液晶相,其中杆位于不同的层中;两个固相在底部带有“普通”晶体。

该小组成员分为五个阶段,代表“第一次打破著名的吉布斯规则” 马克·维斯 说。 Tuinier补充说,由于粒子的形状(尤其是其长度和直径),可能会出现大量相,而Gibbs并未考虑。 “除了已知的温度和压力变量之外,您还获得了两个附加变量:相对于其直径的粒子长度,以及相对于溶液中其他粒子的直径而言的粒子直径,” he explains.

偶然的结果

在科学领域有时会发生这种情况,部分原因是碰运气,因为研究人员最初并没有在仿真中寻找超过三个阶段的信息。但是,在研究板状颗粒和聚合物时,小组成员ÁlvaroGonzálezGarcía和Vincent Peters观察到了四相平衡。“一天,阿尔瓦罗来找我,问我哪里出了问题,因为四个阶段简直不能’t be right,” Tuinier says.

尽管该团队通过仿真获得了结果,但成员们说,他们的系统的真实版本可以很容易地在实验室中生产,并且可以在实验中测试结果。 Vis认为,该团队的发现可以帮助我们加深对此类系统中相变的理解,并更准确地预测何时发生相变-这些知识可能对制造诸如蛋黄酱或油漆等复杂胶体混合物等应用有用。

Vis补充说,显示器中的液晶也可以受益。他说:“大多数行业选择使用没有隔离的单阶段系统。” “但是,如果明确描述了确切的过渡,那么该行业实际上可以使用这些不同的阶段,而不是避免它们。”

该研究在 体检信.

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