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结构和动力学

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‘Quintuple point’材料违反150岁的热力学规则

22 Oct 2020 Isabelledumé.
QuintulePle material
五相平衡。图片:ICMS动画工作室

胶体聚合物混合物的五个不同阶段可以同时共存,蔑视150岁的GIBBS阶段规则,这使得只有三个同时阶段是可能的。法国和使用二元棒聚合物混合物热力学的代数模型获得的研究人员可以帮助推进我们对复杂系统中的相变的理解,在食品加工和油漆制造等领域可能的工业应用。

美国物理学家Josiah Willard Gibbs是一位承认的现代热力学和物理化学的创始人。他在1870年代衍生的他的相位规则列出了可以在物质或物质混合物中同时存在的不同阶段的最大数量。对于纯物质,GIBBS的相位规则最多地预测了三个阶段。一个众所周知的例子是水,其可以在其所谓的三维点处作为液体,固体和气体共存。

聚类效果

在新的工作中,一个团队领导的球队 Remco Tuinier.埃因霍温科技大学 模拟了两种颗粒类型 - 棒和聚合物的胶体混合物的行为 - 分散在背景溶剂中。在其计算中,它们表示为硬质球胶质蛋白和聚合物作为球形彼此自由重叠的球体。

“系统可以通过将杆聚集在一起,增加聚合物链可用的空间,”Tuinier解释说。 “这导致混合物中的相分离成两个(或更多)阶段的含有胶质的阶段,其中胶质和主要含有聚合物的另一个区域。”

一旦发生这种聚类,将较重的杆沉入混合物的底部,导致偏析。最终,混合物的下部变得如此拥挤,杆占据优惠位置,使它们“彼此少的方式”,Tuinier告诉 物理世界。因此,杆最终彼此彼此整齐地布置。

Quintuleple突然出现了

研究人员在纯棒和盘状聚合物混合物分散的先前模型上建立了一种定量理论,用于映射其双组分棒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可以在系统中出现五个不同的阶段(见图)。在这个“Quintule Point”,可能性是各向同性气相,顶部具有未对齐的棒;向向型液晶相的液晶相,杆指向大致相同的方向;一种偏见的液晶相,杆位于不同层;和两个固相,底部具有“普通”晶体。

这个五相制度代表“着名的Gibbs规则已经破坏了”第一次,“团队成员 马克vis. 说。阶段的级数是可能的,因此由于颗粒的形状(特别是它们的长度和直径),吉布斯没有考虑。 “除了已知的温度和压力的变量外,您还可以获得两种额外的变量:与其直径相对于其直径的颗粒的长度,以及溶液中其他颗粒的直径相对于溶液的直径,” he explains.

偶然的结果

由于有时在科学中发生,结果部分是运气的中风,因为研究人员在模拟中没有最初寻找超过三个阶段。然而,在研究板状颗粒和聚合物的同时,团队成员ÁlvaroGonzálezGarcía和文森特彼得斯观察了四相均衡。“Álvaro有一天来找我,问我出了什么问题,因为四个阶段才能’t be right,” Tuinier says.

虽然团队使用模拟获得了其结果,但成员表示,其系统的真实版本可以很容易地在实验室中生产,并在实验中进行测试。根据VI,团队的调查结果可以帮助推进我们对这种系统中的相变的理解,并在发生阶段转型时更精确地预测 - 可以在诸如制造蛋黄酱或涂料等制造复杂胶体混合物等应用中有用的知识。

展示中的液晶也可以受益,Vis添加。 “大多数行业选择使用单相系统,没有隔离,”他说。 “但如果清楚地描述了确切的过渡,那么行业实际上可以使用这些不同的阶段而不是避免它们。”

研究详细说明 物理评论信.

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