Atomistisches Verständnis der Keimbildung und des Kristallwachstums durch molekulare Simulationen

Abstract

Die Modellierung von Keimbildungsprozessen durch molekulare Simulation ermöglicht nicht nur die Berechnung kinetischer und thermodynamischer Eigenschaften, sondern bietet zugleich mechanistische Einblicke auf atomarer Ebene. Die vielfältigen Möglichkeiten, Experimente durch Modellsimulationen zu ergänzen, sind jedoch mit der Überwindung einer Reihe von technischen Schwierigkeiten verbunden. Keimbildungsprozesse sind seltene Ereignisse, die direkten Brute‐Force‐Molekulardynamiksimulationen nur in Ausnahmefällen zugänglich sind. Erst durch Fortschritte bei der Überbrückung von Zeit‐ und Längenskalen konnten kürzlich entwickelte Ansätze auch solche Simulationen ermöglichen, die lange Zeit als undurchführbar galten. Dabei können einerseits generische Modelle zur Erarbeitung eines allgemeinen Verständnisses genutzt werden. Zum anderen sind aber auch detaillierte Einblicke in realitätsnahe Systeme möglich, sofern die Kristallbildungsprozesse in handhabbare Module unterteilt werden. So können die Assoziation einzelner Ionen in der Lösung, die Bildung von geordneten Motiven, Reifungsreaktionen, Keimbildung und postkritisches Wachstum von Nanokristallen auf molekularer Ebene untersucht werden. Durch die Analyse des Wechselspiels mit additiven Molekülen lassen sich zudem Einblicke in funktionalisierte Nanopartikel und Kompositmaterialien gewinnen.

Nucleation of Organic Crystals—A Molecular Perspective

“…Anwar and Zahn [10] go further in stressing that it is becoming evident from simulations that the treatment of nuclei as tiny crystallites with bulk properties is not valid, and that the challenge for the science of crystal nucleation from solution is to establish the actual structure of the nucleus and its physical properties, in conjunction with the development of more realistic theoretical models that rely less on the traditional simplifications. Anwar and Zahn [10] go further in stressing that it is becoming evident from simulations that the treatment of nuclei as tiny crystallites with bulk properties is not valid, and that the challenge for the science of crystal nucleation from solution is to establish the actual structure of the nucleus and its physical properties, in conjunction with the development of more realistic theoretical models that rely less on the traditional simplifications.…”

“…It is thus evident that although the availability of reliable methods for measuring nucleation rates may lead to an increase in kinetic data, the difficulty of using such data to gain a molecular-scale interpretation of the nucleation process remains. Anwar and Zahn [10] go further in stressing that it is becoming evident from simulations that the treatment of nuclei as tiny crystallites with bulk properties is not valid, and that the challenge for the science of crystal nucleation from solution is to establish the actual structure of the nucleus and its physical properties, in conjunction with the development of more realistic theoretical models that rely less on the traditional simplifications.…”

“…On the other hand, Vekilov [7] as well as Gebauer and Cçlfen [8] explored mechanisms of "nonclassical" nucleation. Anwar and Zahn [10] reviewed computational approaches used to elucidate the molecular nature of nucleation and pointed to difficulties inherent in the small simulation scales accessible as well as the inappropriate application of bulk thermodynamics to clusters of nanoscale dimensions. Anwar and Zahn [10] reviewed computational approaches used to elucidate the molecular nature of nucleation and pointed to difficulties inherent in the small simulation scales accessible as well as the inappropriate application of bulk thermodynamics to clusters of nanoscale dimensions.…”

“…Vekilov detailed a two-step process in which crystalline order is preceded by the separation of a dense, disordered liquid phase, as often observed in protein crystallization, [9] whereas Gebauer and Cçlfen reviewed evidence for "prenucleation clusters" seen predominantly in inorganic systems. Anwar and Zahn [10] reviewed computational approaches used to elucidate the molecular nature of nucleation and pointed to difficulties inherent in the small simulation scales accessible as well as the inappropriate application of bulk thermodynamics to clusters of nanoscale dimensions.…”

Mit Simulationen Nanokristallen und ‐kompositen auf der Spur

“…Für viele Fragen, darunter die der Keimbildung aus Ionenlösungen, ist der Zeitaufwand direkter Molekulardynamiksimulationen unvertretbar hoch. Eine Überwindung von Zeit‐ und Längenskalen im Zug der Kristallbildung erreicht das Kawska‐Zahn‐Verfahren 3,4. Es beschränkt die aufwendigen Molekulardynamiksimulationen auf einzelne entscheidende Ereignisse, während es weniger wichtige Zeitspannen stark vergröbert und damit nur näherungsweise behandelt.…”