Comparación de las definiciones mecánica y termodinámica de la presión en la nucleación del hielo

Área de la Ciencia:

• Termodinámica
• Ciencia de materiales
• Química física

Sus antecedentes:

• Estudios previos utilizando modelos de esferas duras y Lennard-Jones indican una menor presión mecánica dentro de los núcleos de cristal en comparación con los líquidos circundantes.
• La comprensión de las propiedades interfaciales sólido-líquido es crucial para la teoría de la nucleación y el diseño de materiales.

Objetivo del estudio:

• Investigar la presión mecánica y la tensión interfacial de un núcleo de hielo en agua superenfriada utilizando una ruta mecánica.
• Comparar las presiones mecánicas y termodinámicas y la tensión y energía libre interfaciales para sistemas de hielo-agua.
• Analizar estas propiedades específicamente en la interfaz basal.

Principales métodos:

• Se utilizó la ruta mecánica para determinar la presión dentro de un núcleo de hielo en agua TIP4P/Ice superenfriada a 1 bar y 247 K.
• Se calculó la tensión interfacial a partir de la presión mecánica utilizando una definición termodinámica consistente.
• Se comparó la presión mecánica con la presión termodinámica del hielo a granel a igual potencial químico y la tensión interfacial con la energía libre interfacial.

Principales resultados:

• Se encontró que las presiones mecánica y termodinámica para el núcleo de hielo coincidían, en contraste con los hallazgos de los modelos de esferas duras y Lennard-Jones.
• La tensión interfacial y la energía libre interfacial fueron comparables para el núcleo.
• La interfaz basal exhibió una tensión interfacial aproximadamente el doble de su energía libre interfacial.

Conclusiones:

• La coincidencia entre las presiones mecánica y termodinámica para los núcleos de hielo sugiere un comportamiento dependiente del sistema.
• La diferencia significativa entre la tensión interfacial y la energía libre en la interfaz basal pone de relieve las limitaciones de la ruta mecánica para determinar las energías libres interfaciales sólido-líquido.
• Se necesita más investigación para refinar los enfoques mecánicos para caracterizar con precisión las interfaces sólido-líquido.