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Curvature-Corrected Surface Tension Governs Nucleation in Molecular Systems

成核 表面张力 化学 经典成核理论 平面的 蒙特卡罗方法 结晶 曲面(拓扑) 化学物理 表面能 冰核 热力学 统计物理学 工作(物理) 分子动力学 过冷 水模型 物理化学 纳米技术
作者
Bin Chen,Ngan K. Nguyen,Kryssa L. Johnson
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (47): 43816-43821
标识
DOI:10.1021/jacs.5c14775
摘要

Nucleation governs processes from cloud formation to crystallization and material assembly, yet classical nucleation theory (CNT) consistently mispredicts barriers by neglecting curvature-dependent surface tension. Here, we introduce a simulation-based framework that combines aggregation-volume-bias Monte Carlo (AVBMC) simulations with finite-difference free energy analyses (Δ2G and Δ3G) to extract both planar surface tension and the Tolman length from cluster-size-dependent nucleation free energies. Applied to four widely used water models (SPC, SPC/E, TIP4P, and TIP4P/2005), the method reveals a consistently negative Tolman length (≈ -0.48 Å), which increases nucleation barriers by 5-6 kBT, relative to CNT predictions, in excellent agreement with experimental measurements. These findings resolve a long-standing discrepancy between theory and experiment and establish a general, predictive, and quantitative framework for understanding nucleation in molecular systems, with implications for atmospheric processes, biomolecular assembly, and materials design.
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