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Temperature-dependent kinetic pathways of heterogeneous ice nucleation competing between classical and non-classical nucleation

成核 冰核 经典成核理论 化学物理 结晶 化学 热力学 物理
作者
Chu Li,Zhuo Liu,Eshani C. Goonetilleke,Xuhui Huang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41467-021-25267-2
摘要

Ice nucleation on the surface plays a vital role in diverse areas, ranging from physics and cryobiology to atmospheric science. Compared to ice nucleation in the bulk, the water-surface interactions present in heterogeneous ice nucleation complicate the nucleation process, making heterogeneous ice nucleation less comprehended, especially the relationship between the kinetics and the structures of the critical ice nucleus. Here we combine Markov State Models and transition path theory to elucidate the ensemble pathways of heterogeneous ice nucleation. Our Markov State Models reveal that the classical one-step and non-classical two-step nucleation pathways can surprisingly co-exist with comparable fluxes at T = 230 K. Interestingly, we find that the disordered mixing of rhombic and hexagonal ice leads to a favorable configurational entropy that stabilizes the critical nucleus, facilitating the non-classical pathway. In contrast, the favorable energetics promotes the formation of hexagonal ice, resulting in the classical pathway. Furthermore, we discover that, at elevated temperatures, the nucleation process prefers to proceed via the classical pathway, as opposed to the non-classical pathway, since the potential energy contributions override the configurational entropy compensation. This study provides insights into the mechanisms of heterogeneous ice nucleation and sheds light on the rational designs to control crystallization processes.
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