Phase diagrams—Why they matter and how to predict them

相图 亚稳态 计算机科学 热力学积分 工作流程 统计物理学 计算 相(物质) 灰烬 航程(航空) 能量(信号处理) 纳米技术 材料科学 化学 物理 算法 数据库 量子力学 复合材料 有机化学
作者
Pin Yu Chew,Aleks Reinhardt
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:158 (3): 030902-030902 被引量:48
标识
DOI:10.1063/5.0131028
摘要

Understanding the thermodynamic stability and metastability of materials can help us to, for example, gauge whether crystalline polymorphs in pharmaceutical formulations are likely to be durable. It can also help us to design experimental routes to novel phases with potentially interesting properties. In this Perspective, we provide an overview of how thermodynamic phase behavior can be quantified both in computer simulations and machine-learning approaches to determine phase diagrams, as well as combinations of the two. We review the basic workflow of free-energy computations for condensed phases, including some practical implementation advice, ranging from the Frenkel–Ladd approach to thermodynamic integration and to direct-coexistence simulations. We illustrate the applications of such methods on a range of systems from materials chemistry to biological phase separation. Finally, we outline some challenges, questions, and practical applications of phase-diagram determination which we believe are likely to be possible to address in the near future using such state-of-the-art free-energy calculations, which may provide fundamental insight into separation processes using multicomponent solvents.

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