Theoretical study of anisotropic effects in crystal growth on the example of concrete and calcium oxalate monohydrate

Abstract

While many crystals, both natural and artificial, grow isotropically, there are examples of crystals growing anisotropically. The aim of this theoretical study was to confirm the growth modes displayed by three different crystals, representing 3D, 2D and 1D structures. This was done by using energetic calculations with both molecular mechanics, with ReaxFF$_{ \textrm {SiO}}$ as the force field, and semi-empirical methods, with PM6 as the method. To start with, the 3D structure was represented by CaO, and both the ReaxFF$_{\textrm{SiO}}$ and PM6 results confirmed the isotropic growth mode of this rock salt structure. As for the 2D structure, nanoplatelets of calcium silicate hydrate (C-S-H), which make up the bulk phase in concrete, were investigated. These were modelled as C-S-H clusters with approximate cylinder shapes and adjustable chemical bonds and compositions. The ReaxFF$_{\textrm{SiO}}$ calculations showed that the energetic gain was higher when the radius was increased than when the height was increased. This was in agreement with the platelet shape of real C-S-H nanoparticles. However, the high computational costs of semi-empirical methods meant that the PM6 results did not represent a large enough cylinder size span to confirm the ReaxFF$_{ \textrm {SiO}}$ results. Lastly, the 1D structure was represented in the form of calcium oxalate monohydrate (COM), which may form elongated shapes such as raphides and styloids. Due to the ReaxFF$_{\textrm{SiO}}$ force field not being optimized for COM crystals, only PM6 calculations were performed. However, the computational demands of semi-empirical methods again limited the number of PM6 data points considerably. Therefore, it could not be concluded if the 1D growth mode was the most energetically favourable.

Popular Abstract (Swedish)

Kristaller av olika former och storlekar finns överallt omkring oss. Medan de flesta kristaller föredrar att växa lika mycket i alla riktningar, som bordssalt (natriumklorid) och diamant, finns det kristaller som bara föredrar att växa i vissa specifika riktningar. Som exempel på det sistnämnda, s.k. anisotropisk tillväxt, finns det kristaller som växer endimensionellt och bildar nålliknande former eller de som bildar tvådimensionella plattor. Syftet med denna studie var just att undersöka varför olika kristaller växer på det sätt de gör.

Att modellera hur kristaller växer är mycket svårt, och det finns många parametrar som antingen får kristaller att växa eller att falla sönder. Det finns analogier för de komplicerade parametrar som dikterar kristalltillväxt, exempelvis de komplexa biologiska och kemiska faktorer som styr hur träd växer, eller de ekonomiska och ingenjörsmässiga utmaningar som präglar bygget av skyskrapor. I denna studie valde vi att enbart skapa teoretiska modeller av olika kristaller, anta att de är stabila, och därefter beräkna den totala atomära interaktionsenergin för olika kristallstorlekar.

Vi studerade tre olika kristaller, vilka växer som bulk, plättar och nålar; de kan anses representera kristaller som växer i 3D, 2D och 1D, respektive. Vi använde olika sätt för att modellera expansionen av dessa kristaller, i ett försök att förstå mekanismen bakom anisotropisk kristalltillväxt. Först och främst genomfördes beräkningar för kalciumoxid (3D tillväxt), en förening som väldigt mycket liknar bordssalt (natriumklorid). Kalciumoxid är ett mycket enkelt system växer lika mycket i alla riktningar, och beräkningarna bekräftade detta.

Huvudfokus låg på betong (2D tillväxt) och tidigare studier har visat att de mikroskopiska betongpartiklarna bildar plättar. Det är den slumpmässiga och kaosartade strukturen hos de mikroskopiska betongpartiklarna som ger betong dess karaktäretiskt slitstarka karaktär. Som bekant är det just p.g.a. styrkan som betong återfinns i broar, dammar, höghus och allt däremellan. I ett datorprogram skapades det cylindriska betongpartiklar med hundratals upp till tiotusentals atomer; cylindrar ansågs kunna efterlikna formen hos verkliga betongpartiklar. Energiberäkningarna visade på tendenser att det var mer fördelaktigt för cylindrarna att öka radien snarare än höjden. Detta hade kunnat vara en förklaring, eller en del av en förklaring, till varför riktiga betongpartiklar är platta. Dessvärre, p.g.a. begränsad beräkningskapacitet hos datorerna, var antalet datapunkter så pass lite att tendenserna inte kunde bekräftas slutgiltigt.

Vi tittade även på teoretiska modeller av rafider (1D tillväxt), ett slags långsmala kristaller som finns i växter, där de bl.a. upprätthåller jonbalansen och skyddar mot växtätare, men även i drygt 70 procent av alla njurstenar. Men även här ställde den begränsade beräkningskapaciteten till det, och de få datapunkter som erhölls räckte inte till för att dra några klara slutsatser om varför rafider växer som de gör.

• author: Ekberg, Vilhelm
• supervisor: Valera Veryazov
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMN10 20182
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: anisotropic crystal growth, COM, C-S-H, PM6, ReaxFF$_{\textrm{SiO}}$, organizing molecular matter, nanochemistry, nanokemi
• language: English
• id: 8969772
• date added to LUP: 2019-02-26 10:23:32
• date last changed: 2019-02-26 10:23:32