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在凍干實驗中水的成核速率及晶體大小控制
更新時間:2021-12-13 點(diǎn)擊次數(shù):2442

水分子的結(jié)構(gòu),具有明顯的偶極矩,致使液相在較高溫度下才能產(chǎn)生,并確保獲得環(huán)繞離子的一種分子包裹結(jié)構(gòu)。然而,在水中也存在沒有離子的群集,包括由大約10個水分子組,成一個被O-H-O基團(tuán)包圍的四面體。這種群集并非總是由相同分子構(gòu)成的穩(wěn)定單元體,而是不斷地與周圍分子進(jìn)行交換。平均壽命為1010~10-1S。群集的數(shù)目隨溫度降低而不斷減少,直到發(fā)生冷凍。

 

在很好地去除了所有外來粒子的水中,當(dāng)水過冷到-39℃,分子群集開始結(jié)晶,即均相成核。不溶于水的異物在冰的結(jié)晶過程中充當(dāng)晶核的作用,即異相成核。通常每立方厘米水中大約有106個粒子 ,這些粒子都可作為結(jié)晶的晶核。如果它們的結(jié)構(gòu)與水類似,則成核效率會更高。晶核一旦形成,其外部增長將比內(nèi)部快,形成(取決于過冷和冷卻速率)冰星結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步冷凍過程中,將生成60°的分支,即常見的霜花。對于一個1*10-9mm3的晶體。需要匯集2.7*1010個分子。很難直觀展現(xiàn)這樣一個晶體是如何在遠(yuǎn)不到1S的時間內(nèi)形成的,但很明顯,這種晶體生長受很多因素影響。

 

在壓力下,水可以進(jìn)一步過冷,推遲晶核的形成。晶體的生長取決于分子向晶核表面的擴(kuò)散,(冷卻速率Vf小于102/S,過冷Tse小于10℃)可使用下面的式子:

成核速率VK=常數(shù)XTnse

式中,如果能量傳遞起決定性作用,則n=1;如果表面反應(yīng)起決定性作用,則n=1.7。如果Tse10℃,則必須考慮擴(kuò)散過程。因為VK還取決于濃度,所以VK得計算并不穩(wěn)定。

 

總之,如果想生成大晶體:

成核速率應(yīng)當(dāng)小,因此過冷速率也應(yīng)小;

冷凍應(yīng)發(fā)生在溶液和晶體之間的準(zhǔn)平衡狀態(tài);

溫度應(yīng)盡可能高,因為晶體生長是e-1/T的函數(shù);

結(jié)晶時間應(yīng)增加,因為VK晶體的尺寸成反比。

 

如果想生成很少量晶體或不生成晶體:

應(yīng)在高壓力下冷凍;

冷凍速率應(yīng)盡可能高,以產(chǎn)生較大的過冷度。


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