Szybkie przewidywanie morfologii kryształów Kryształy stanowią podstawowy budulec materiałów stosowanych w licznych sektorach, od farmacji i elektroniki po fotowoltaikę i katalizę. Naukowcy opracowali model szybkiego przewidywania morfologii umożliwiający kontrolowanie wytwarzania i optymalizację projektowania. Technologie przemysłowe © Thinkstock Kontrolowanie morfologii kryształów ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu z myślą o konkretnych funkcjach. Wystąpienie niepożądanych morfologii może pogorszyć jakość i właściwości produktów, prowadząc na przykład do zatykania filtrów lub rurek. Coraz lepsza znajomość zachowań podlegających zasadom mechaniki kwantowej otwiera drogę do poszerzania wyników klasycznych teorii wzrostu kryształów poprzez dołączanie wyników najnowszych symulacji mechaniki kwantowej. Finansowany ze środków UE projekt "Crystal surface simulations" (CRYSURFSIM) utworzono w celu opracowania jednego wspólnego modelu dla potrzeb nowoczesnej inżynierii morfologii kryształów. Niezwykła różnorodność możliwych kształtów kryształów, nawet kryształów tego samego związku chemicznego, wynika z różnic w warunkach ich wzrostu. Ważnym parametrem rozwojowym jest energia swobodna powierzchni. Energia swobodna powierzchni (w przypadku cieczy zwana też napięciem powierzchniowym) to różnica między energiami atomów na powierzchni kryształu i w jego wnętrzu. Model niedoboru wartościowości wiązań (BVD) umożliwia przewidywanie energii swobodnych powierzchni i morfologii kryształów. W ramach projektu CRYSURFSIM zastosowano model BVD do połączenia opisów wzrostu kryształów według mechaniki klasycznej i kwantowej. Naukowcy pomyślnie wykorzystali tę metodę do opisania energii swobodnej powierzchni typowych struktur krystalicznych metali. Wyniki były zgodne w wynikami symulacji sieci krystalicznej metodami mechaniki kwantowej, a przewidziane struktury krystaliczne były podobne do faktycznie występujących w naturze. Najważniejszą zaletą modelu BVD w porównaniu z symulacjami sieci krystalicznej było znacznie szybsze wykonywanie obliczeń. Jego zastosowanie do minerałów o typach struktury AX i AX2 przyniosło natomiast pewne trudności. O ile model BVD pozwala modelować zarówno powierzchnie obojętne elektrycznie, jak i naładowane, to przy symulowaniu sieci krystalicznej konieczne jest stosowanie poprawki dla powierzchni obojętnych, co utrudnia porównywanie uzyskanych wyników. Przy analizach halogenków, siarczków i tlenków wyniki z modelu BVD ponownie były zbieżne z symulacjami sieci krystalicznej i morfologiami występującymi w przyrodzie. Model BVD okazał się szybkim narzędziem umożliwiającym dokładne przewidywanie morfologii kryształów przy minimalnym obciążeniu obliczeniowym, stwarzając pomost skutecznie łączący makroskopowe i kwantowe modele formowania kryształów. Jego zastosowanie ułatwi i przyspieszy projektowanie nowatorskich morfologii kryształów o pożądanych właściwościach w różnorodnych sektorach, od biomedycyny i farmacji po produkcję półprzewodników cienkowarstwowych i fotowoltaikę. To z kolei będzie mieć duże znaczenie dla konkurencyjności gospodarki UE. Słowa kluczowe Morfologia kryształów, mechanika kwantowa, powierzchnia kryształu, energia swobodna powierzchni, niedobór wartościowości wiązań
