Untersuchung früher Kristallisationsstadien in unterkühlten atomaren Flüssigkeiten durch zeitaufgelöste Röntgenstreuung von mikroskopischen laminaren Strahlen in Verbindung mit einer auf maschinellem Lernen basierenden Datenanalyse.

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Robert Evaristo Grisenti
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499455518

Das Gefrieren einer Flüssigkeit ist eine allgegenwärtige Zustandsveränderung, die sich auf viele Aspekte unseres täglichen Lebens auswirkt, aber viele Aspekte dieses so vertrauten Phasenübergangs sind immer noch nicht ausreichend verstanden. Auf mikroskopischer Ebene wird die Kristallisation klassischerweise als zweistufiger Prozess betrachtet. Thermische Fluktuationen in der unterkühlten Flüssigkeit - d. h. unterhalb ihres Schmelzpunkts - bewirken zunächst die spontane Bildung eines kleinen, lokalisierten Kerns der neuen geordneten Phase, der anschließend auf makroskopische Dimensionen anwächst. Die Kristallisation ist jedoch weitaus komplexer als in dieser klassischen Beschreibung dargestellt und viele Details des Prozesses sind noch nicht ausreichend mikroskopisch verstanden. Hier wollen wir die Röntgenstreuung am Europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser mit mikroskopischen Flüssigkeitsstrahlen aus den atomaren Elemente Argon und Krypton kombinieren, um die frühen Phasen der Kristallisation in unterkühlten Flüssigkeiten zu untersuchen. Dieser Ansatz ist eine einzigartige Lösung für die Herausforderungen der sehr kurzen Zeitskala und der stochastischen Natur des Kristallkeimbildungsprozesses, da im Allgemeinen kein a priori Wissen über die räumlichen und zeitlichen Koordinaten der spontanen Kristallbildung verfügbar ist. In Kombination mit Computersimulationen und modernsten ML-basierten Techniken zur Datenanalyse erwarten wir, tiefere Einblicke in viele grundlegende Aspekte des Kristallisationsprozesses zu gewinnen und damit neue Maßstäbe für aktuelle Theorien der Kristallkeimbildung und des Wachstums zu setzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen