Homogeneous nucleation of carbon dioxide in supersonic nozzles II: molecular dynamics simulations and properties of nucleating clusters

文献情報

出版日 2021-02-05
DOI 10.1039/D0CP05653G
インパクトファクター 3.676
著者

Roope Halonen, Valtteri Tikkanen, Bernhard Reischl, Kayane K. Dingilian, Hanna Vehkamäki


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要旨

Large scale molecular dynamics simulations of the homogeneous nucleation of carbon dioxide in an argon atmosphere were carried out at temperatures between 75 and 105 K. Extensive analyses of the nucleating clusters' structural and energetic properties were performed to quantify these details for the supersonic nozzle experiments described in the first part of this series [Dingilian et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2020, 22, 19282–19298]. We studied ten different combinations of temperature and vapour pressure, leading to nucleation rates of 1023–1025 cm−3 s−1. Nucleating clusters possess significant excess energy from monomer capture, and the observed cluster temperatures during nucleation – on both sides of the critical cluster size – are higher than that of the carrier gas. Despite strong undercooling with respect to the triple point, most clusters are clearly liquid-like during the nucleation stage. Only at the lowest simulation temperatures and vapour densities, clusters containing over 100 molecules are able to undergo a second phase transition to a crystalline solid. The formation free energies retrieved from the molecular dynamics simulations were used to improve the classical nucleation theory by introducing a Tolman-like term into the classical liquid-drop model expression for the formation free energy. This simulation-based theory predicts the simulated nucleation rates perfectly, and improves the prediction of the experimental rates compared to self-consistent classical nucleation theory.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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