Avaliação da anomalia da teoria de nucleação clássica em vidros silicatos
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Data de Publicação: | 2021 |
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Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14725 |
Resumo: | Under some conditions, the Classical Nucleation Theory (CNT) provides a good description of the temperature dependence of the experimental homogeneous nucleation rates in supercooled liquids. Allegedly, however, it strongly overestimates the experimental nucleation rates below the temperature of maximum nucleation (_max ~ _, glass transition temperature), configuring the so-called nucleation anomaly. This apparent discrepancy has been associated with some hypothesis related to thermodynamic and diffusional parameters. However, a definitive explanation about the origin of this issue is still open, since some of the hypotheses raised cannot explain it, while others are limited to theoretical analysis without experimental verification. In this thesis, we evaluate the alternative hypothesis that the CNT anomaly can be due to an experimental artifact, which leads to the underestimation of the experimental nucleation rates below _. This hypothesis is based on the fact that the CNT is only valid when the analyzed system reaches a stationary regime. To validate or refute this hypothesis, Li2Si2O5, and BaSi2O5 glasses were chosen as model systems. The study was conducted through the implementation of heat treatments above and below the _ of these glasses. In particular, the heat treatments below _ were considerable extended and examined by a steady-state criterion. Also, viscosity and growth rates were used as alternative proxies for the nucleation diffusion coefficient. Additionally, the possible influence on the nucleation rates of factors as the chemical homogeneity, water content, and thermal history of the glasses were evaluated. The results not only validate the proposed hypothesis, but also offer new experimental evidence supporting recent studies that suggest the interdependence between the structural relaxation and the nucleation process, as the fundamental origin of the alleged CNT anomaly. |
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Ramírez Acosta, María HelenaZanotto, Edgar Dutrahttp://lattes.cnpq.br/1055167132036400http://lattes.cnpq.br/7314093467530639f58823a4-ca3d-48e3-adff-7038dd8879e82021-08-09T13:37:06Z2021-08-09T13:37:06Z2021-07-13RAMÍREZ ACOSTA, María Helena. Avaliação da anomalia da teoria de nucleação clássica em vidros silicatos. 2021. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2021. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14725.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14725Under some conditions, the Classical Nucleation Theory (CNT) provides a good description of the temperature dependence of the experimental homogeneous nucleation rates in supercooled liquids. Allegedly, however, it strongly overestimates the experimental nucleation rates below the temperature of maximum nucleation (_max ~ _, glass transition temperature), configuring the so-called nucleation anomaly. This apparent discrepancy has been associated with some hypothesis related to thermodynamic and diffusional parameters. However, a definitive explanation about the origin of this issue is still open, since some of the hypotheses raised cannot explain it, while others are limited to theoretical analysis without experimental verification. In this thesis, we evaluate the alternative hypothesis that the CNT anomaly can be due to an experimental artifact, which leads to the underestimation of the experimental nucleation rates below _. This hypothesis is based on the fact that the CNT is only valid when the analyzed system reaches a stationary regime. To validate or refute this hypothesis, Li2Si2O5, and BaSi2O5 glasses were chosen as model systems. The study was conducted through the implementation of heat treatments above and below the _ of these glasses. In particular, the heat treatments below _ were considerable extended and examined by a steady-state criterion. Also, viscosity and growth rates were used as alternative proxies for the nucleation diffusion coefficient. Additionally, the possible influence on the nucleation rates of factors as the chemical homogeneity, water content, and thermal history of the glasses were evaluated. The results not only validate the proposed hypothesis, but also offer new experimental evidence supporting recent studies that suggest the interdependence between the structural relaxation and the nucleation process, as the fundamental origin of the alleged CNT anomaly.Sob certas condições, a Teoria de Nucleação Clássica ou CNT (Classical Nucleation Theory, em inglês) provê uma boa descrição da dependência dos dados experimentais da taxa de nucleação homogênea em função da temperatura em líquidos super-resfriados. Porém, a CNT aparentemente superestima as taxas de nucleação experimentais abaixo da temperatura da máxima nucleação (_max ~ _, temperatura de transição vítrea), configurando a conhecida anomalia da nucleação. Esta suposta discrepância tem sido associada com algumas hipóteses relacionadas a parâmetros termodinâmicos e de difusão. Contudo, uma explicação definitiva sobre a origem deste problema continua em aberto, pois as hipóteses sugeridas não conseguem explicá-lo, ou estão limitadas a análises teóricas sem verificação experimental. Nesta tese, foi avaliada a hipótese alternativa de que a anomalia da CNT pode ser devida a um artefato experimental, que leva à subestimação das taxas de nucleação experimentais abaixo da _. A hipótese sustenta-se no fato de que a CNT é válida apenas quando o sistema analisado atinge um regime estacionário. Para validar ou refutar essa hipótese, vidros de Li_2Si_2O_5, e BaSi_2O_5 foram escolhidos como sistemas modelos. O estudo foi conduzido através da implementação de tratamentos térmicos tanto acima quanto abaixo da _ desses vidros. Em particular, os tratamentos térmicos abaixo de _ foram consideravelmente estendidos, e examinados sob um critério de estado estacionário. Por outro lado, medidas de viscosidade e de crescimento foram utilizadas como aproximações alternativas para o coeficiente de difusão da nucleação. Adicionalmente, a possível influência nas taxas de nucleação de fatores como a homogeneidade química, o conteúdo de água e a história térmica dos vidros foram avaliados. Os resultados obtidos não só validam a hipótese proposta, mas oferecem nova evidência experimental suportando estudos recentes que sugerem a interdependência entre os processos de relaxação estrutural e a nucleação, como a origem fundamental da suposta anomalia da CNT.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)CNPq: 141057/2017-3porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessNucleaçãoTeoria de nucleação clássicaAnomalia da CNTVidros silicatosNucleationClassical nucleation theoryCNT AnomalySilicate glassesENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSAvaliação da anomalia da teoria de nucleação clássica em vidros silicatosEvaluation of the classical nucleation theory anomaly in silicate glassesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis6006cfabc63-f3c2-48d1-ba85-c4d9edda486breponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALMaría Helena Ramírez Acosta - Tese-Versão Definitiva.pdfMaría Helena Ramírez Acosta - Tese-Versão Definitiva.pdfTese de Doutorado-Versão Definitivaapplication/pdf8546514https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/1/Mar%c3%ada%20Helena%20Ram%c3%adrez%20Acosta%20-%20Tese-Vers%c3%a3o%20Definitiva.pdff664e666d7b73928e9d8739c006333e0MD51BCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdfCarta comprovanteapplication/pdf428234https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/3/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20-%20P.pdfc4cf49b782299c8912567c12a60e0293MD53CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/4/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD54TEXTMaría Helena Ramírez Acosta - Tese-Versão Definitiva.pdf.txtMaría Helena Ramírez Acosta - Tese-Versão Definitiva.pdf.txtExtracted texttext/plain335633https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/5/Mar%c3%ada%20Helena%20Ram%c3%adrez%20Acosta%20-%20Tese-Vers%c3%a3o%20Definitiva.pdf.txta07f2b620b6f1faed4ba6653fe4b00faMD55BCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20-%20P.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD57THUMBNAILMaría Helena Ramírez Acosta - Tese-Versão Definitiva.pdf.jpgMaría Helena Ramírez Acosta - Tese-Versão Definitiva.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6547https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/6/Mar%c3%ada%20Helena%20Ram%c3%adrez%20Acosta%20-%20Tese-Vers%c3%a3o%20Definitiva.pdf.jpg5f6adc342403105f94542f93246ea846MD56BCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg12583https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14725/8/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20-%20P.pdf.jpgf320fea782468ac51d23b5a16f7b485bMD58ufscar/147252023-09-18 18:32:14.222oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/14725Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:14Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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