PRE-NUCLEATION IN MOLECULAR LIQUIDS: A MOLECULAR DYNAMICS PERSPECTIVE

I cristalli sono molto diffusi nella vita quotidiana e svolgono un ruolo centrale nei settori farmaceutico, alimentare e della scienza dei materiali, consentendo un’ampia gamma di applicazioni tecnologiche avanzate. Nonostante la loro importanza, la fase iniziale della cristallizzazione, la nucleazione, rimane ancora poco chiara. Le tecniche sperimentali sono in gran parte cieche alla nucleazione a causa delle elevate richieste in termini di risoluzione spaziale, temporale e sensibilità, mentre gli approcci computazionali sono messi alla prova dal fatto che la nucleazione è un evento raro, che richiede simulazioni di lunga durata su sistemi di grandi dimensioni. In questo lavoro, i fenomeni di pre-nucleazione, tra cui il parziale ordinamento e l’aggregazione nei liquidi molecolari, vengono investigati mediante una combinazione di simulazioni computazionali ed esperimenti di cristallizzazione. Questa ricerca ha tre obiettivi principali: innanzitutto, studiare l’effetto del confinamento sul parziale ordinamento dei liquidi molecolari; in secondo luogo, investigare la formazione e le proprietà dei cluster subcritici durante la fase di pre-nucleazione; infine, esplorare il ruolo delle interazioni di stacking aromatico nei fenomeni di pre-nucleazione. L’acido benzoico è stato selezionato come composto modello data la sua limitata flessibilità molecolare, il numero di atomi ridotto e la sua capacità di partecipare a diverse interazioni intermolecolari, inclusi il legame a idrogeno e lo stacking aromatico. Alcuni suoi derivati sono stati inoltre esaminati per fare un confronto. Le principali metodologie impiegate includono simulazioni di dinamica molecolare (MD) utilizzando il software MiCMoS, calcoli di energia statica mediante il metodo PIXEL, calcoli DFT-D ed esperimenti di cristallizzazione condotti con il cristallizzatore multi-reattore Crystal16. Per affrontare il primo obiettivo, è stato sviluppato e implementato un algoritmo di confinamento in MiCMoS. Sono state eseguite simulazioni esplorative di MD su sistemi contenenti fino a otto molecole di acido benzoico confinate all’interno di piccole nanocavità cubiche per analizzare il comportamento di aggregazione e i pattern di interazione, mentre sono stati utilizzati calcoli DFT-D per valutare la stabilità degli aggregati ciclici. Successivamente, sono state condotte simulazioni di liquidi confinati in diverse geometrie, da nanostrati a nanotubi e nanocavità. Rispetto al liquido bulk non confinato, il confinamento determina un aumento della viscosità e un’intensificazione delle interazioni di stacking, guidate dal parziale ordinamento in prossimità delle barriere di confinamento, dove si formano strati di molecole adsorbite. L’aumento della rigidità del confinamento induce una transizione liquido-liquido tra stati a bassa e ad alta densità nelle nanocavità. Il confinamento è stato spinto al limite adottando una geometria a nanostrato che consente la presenza di un solo strato molecolare, nella quale è stato osservato un aggregato catemerico costituito da 26 molecole. Questo aggregato ricorda un pattern identificato in precedenti studi di predizione della struttura cristallina e suggerisce che, in queste condizioni, sia possibile accedere a un nuovo polimorfo dell’acido benzoico, che allo stato attuale è monomorfo. Il secondo obiettivo è incentrato sulle disomogeneità su scala nanometrica nei liquidi bulk. Le fluttuazioni di densità risultano significativamente amplificate nel liquido surraffreddato, probabilmente a causa della formazione di aggregati più grandi e persistenti, identificati come cluster subcritici. A tal fine, è stato sviluppato un programma di analisi per caratterizzare la formazione degli aggregati ed è stata introdotta una nuova definizione di cluster subcritici basata sull’energia di interazione, sulla persistenza temporale e sull’energia in eccesso, una grandezza che misura se l’energia coesiva dell’aggregato supera le interazioni con il liquido circostante. Le distribuzioni delle dimensioni degli aggregati mostrano i trimeri come specie più abbondante, mentre i dimeri, che corrispondono al pattern dominante nella struttura cristallina, risultano essere i secondi più comuni. Tuttavia, tali aggregati sono troppo piccoli per essere qualificati come cluster subcritici. Il cluster subcritico più grande e persistente è osservato nel liquido surraffreddato ed è costituito da 17 molecole, con un tempo di vita superiore a 130 ps. Questo cluster adotta una forma globulare costituita da una catena ripiegata di molecole legate da legami a idrogeno, con interazioni di stacking aromatico intermittenti che contribuiscono alla sua stabilizzazione. Il terzo obiettivo affronta il ruolo delle interazioni di stacking aromatico nella nucleazione. Circa 200 strutture dimeriche di derivati dell’acido benzoico sono state ottenute dal Cambridge Structural Database (CSD) e le loro energie di stacking sono state stimate mediante il metodo PIXEL. Dopo l’applicazione di una serie di criteri, sono stati individuati quattro composti per l’analisi sperimentale. La solubilità cinetica è stata esaminata in diversi solventi ed è stato selezionato l’isopropanolo come il più idoneo. Dopo un’accurata determinazione della solubilità termodinamica, un composto è stato escluso perché insolubile e un altro per ragioni di tempo. I due composti rimanenti sono stati impiegati in esperimenti di cristallizzazione utilizzando il Crystal16 per determinare le velocità di nucleazione. A causa della natura intrinsecamente stocastica della nucleazione, sono state eseguite 80 ripetizioni usando cinque diversi livelli di sovrasaturazione, per un totale di 400 esperimenti per ciascun composto. Le velocità di nucleazione sono state determinate attraverso un fitting della probabilità cumulativa di nucleazione in funzione del tempo di induzione. Sono state condotte simulazioni complementari di MD per correlare la propensione alla nucleazione con le interazioni di stacking aromatico, supportate dallo sviluppo di un nuovo programma di analisi specificamente progettato per caratterizzare lo stacking. I composti che mostrano una maggiore propensione alla nucleazione presentano anche energie di stacking più favorevoli, un numero maggiore di interazioni di stacking con tempi di vita più lunghi e la formazione di aggregati stacked di dimensioni maggiori. Questi aggregati adottano disposizioni di tipo colonnare che richiamano i motivi di impaccamento cristallino, pur mantenendo un elevato grado di disordine strutturale.

Grantor dc:publisher

Università degli Studi di Milano

Year dc:date

2026

Author dc:creator

• SIRONI, LUCA

Contributors dc:contributor

• tutor: L. Lo Presti ; co-tutor: S. Rizzato ; coordinatore: D. Passarella
• L. Sironi
• LO PRESTI, LEONARDO
• PASSARELLA, DANIELE

• molecular liquid
• nucleation
• crystallization
• aggregation
• crystal structure
• molecular dynamic
• molecular modelling
• benzoic acid
• confinement
• subcritical cluster
• aromatic stacking
• Settore CHEM-02/A - Chimica fisica

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:Creative commons
• license uri:http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/2434/1214455

OAI identifier oai:identifier

oai:air.unimi.it:2434/1214455