经典成核理论在深度过冷高压模拟二氧化硅上的检验

我们在由BKS势能建模的深度过冷、高密度液态二氧化硅的模拟中检验了经典成核理论。我们发现，在密度ρ=4.38 g/cm³时，在温度T=3000 K的常规分子动力学模拟中会发生斯石英的自发成核，并通过“蛮力”采样成核事件直接评估了该温度下的成核速率J。然后，我们使用并行的约束蒙特卡罗模拟，在T=3000、3100、3200和3300 K下评估了ΔG(n)，即形成包含n个硅原子的晶胚的自由能。我们发现，经典成核理论对ΔG(n)的n依赖性的预测在所有研究的温度下都与数据拟合得相当好，并且在3300 K时给出的液态与斯石英之间的化学势差与独立计算相符。我们发现，在T=3300 K时，临界核尺寸n*约为10个硅原子。在3000 K时，n*减小到约3，在此类小尺寸下，使用标准技术评估ΔG(n)时会出现方法学上的挑战；实际上，在这些条件下，过冷液体的热力学稳定性本身也受到质疑。因此，我们提出了一种修正方法，允许在3000 K下估算ΔG(n)。最后，我们直接评估了T=3000 K时经典成核理论表达式中J的动力学前因子，并发现了物理上合理的值；例如，硅原子从液体移动到晶胚所需扩散的距离约为0.2 nm。因此，我们能够比较在3000 K下直接获得的和基于经典成核理论获得的J结果，并发现它们在同一个数量级内一致。