Theoretical analysis of crystallization by homogeneous nucleation of water droplets

文献情報

出版日 2019-01-05
DOI 10.1039/C8CP06650G
インパクトファクター 3.676
著者

Kyoko K. Tanaka, Yuki Kimura


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要旨

We propose a novel method for analyzing the crystallization process from supercooled water droplets. The method, which is based on nucleation theory, simultaneously evolves homogeneous ice nucleation and crystal growth in the cooling process and obtains the crystallization temperature and the number of crystal nuclei in the droplets. The model can reproduce not only the crystallization of water but also the vitrification process. The model well replicated the results of previous laboratory experiments, especially, the different responses of the crystallization temperatures of the micrometer- and nanometer-sized particles as a function of cooling rates. For particle sizes ranging from 1 to 1000 μm and cooling rates below 104 K s−1, the crystallization temperature was 230–240 K. At cooling rates above 104 K s−1, the crystallization temperature decreased rapidly. On the other hand, the crystallization temperature of 10 nm particles was 200–230 K at cooling rates below 104 K s−1. When describing the interfacial tension by σ = 29.1 + 0.1(T − 273.15) erg cm−2 (where T is the water droplet temperature in K), the analyses explained well the previously reported crystallization temperatures of droplets sized from a few nm to 100 μm under various cooling conditions. Our model also predicts the critical cooling rate for vitrification of the liquid water droplets. The critical cooling rate of vitrification is predicted to be 107–108 K s−1, consistent with the experimental rates. These analyses are useful not only for comprehensively understanding the ice nucleation process but also for predicting the crystallization processes in various environments such as cirrus clouds, which are difficult to reproduce in experiments.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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