蒸发诱导多晶氯化钠与氯化钾盐成核机制的分子动力学模拟研究

研究人员针对低钠盐多晶结构形成机制不明确的问题，通过分子动力学模拟（MD）研究了NaCl-KCl混合盐从过饱和溶液蒸发结晶的成核过程。采用81,000粒子体系进行16 ns大规模模拟，结合RDF（径向分布函数）、Steinhardt键序参数和簇分析等技术，首次揭示了无基底条件下多晶盐的两步成核机制，证实NaCl较KCl更易早期成核，76%离子最终形成固相晶体，为低钠盐工业化生产提供理论依据。

　　

食盐作为人类最古老的食品添加剂，其晶体结构直接影响溶解速率、口感及健康效应。随着高血压等慢性病高发，含钾低钠盐（NaCl-KCl混合体系）因能调节神经系统和血压而备受关注。然而传统蒸发结晶工艺中，多晶盐的成核机制长期存在争议——究竟是单晶聚集还是自发形成多晶？这种结构差异会显著改变盐的物理化学性质：多晶体因更多晶界（grain boundaries）而溶解更快，但KCl的苦味和吸湿性又可能影响食品应用。尽管前人通过分子动力学模拟（MD）研究过单晶NaCl或KCl的成核，但真实工业场景中更常见的多晶混合盐形成机制仍是空白。

为破解这一难题，研究人员开展了突破性研究。通过构建含81,000个粒子的超大体系进行16纳秒（ns）分子动力学模拟，首次捕捉到无晶种条件下NaCl-KCl多晶盐的完整成核过程。研究发现NaCl展现出比KCl更早的成核倾向性，而局部高离子密度区域会触发离子簇（ionic clusters）形成，进而遵循Ostwald熟化规则生长。通过Steinhardt键序参数量化分析，证实生长中的簇存在局部有序结构，最终76%离子进入固相形成多晶体，且部分水分子被捕获在晶格中。这项发表于《Journal of Molecular Liquids》的研究，不仅首次从原子尺度揭示多晶盐的两步成核机制，更为低钠盐的晶型调控工艺提供了关键理论支撑。

研究团队采用三大关键技术：1）大规模分子动力学模拟（81,000粒子体系），2）多参数分析（包括径向分布函数RDF、键序参数和簇识别算法），3）蒸发诱导相变模拟方法。通过调整模拟盒尺寸验证了体系维度对成核时间的显著影响。

结果与讨论

1. 成核动力学差异：轨迹分析显示NaCl在模拟早期即形成晶核，而KCl滞后约3 ns，这与离子水合能差异直接相关。
2. 密度驱动成核：高密度区域引发离子簇自发形成，通过RDF分析证实其具有类晶体中程有序特征。
3. 结构演化规律：Steinhardt参数Q₆显示生长中簇的局部面心立方（fcc）序，符合两步成核理论。
4. 最终相组成：终态76%离子进入结晶相，形成含晶界和缺陷的典型多晶结构。

结论与意义
该研究首次通过原子尺度模拟证实：1）蒸发可诱导NaCl-KCl自发形成多晶体；2）成核过程符合非经典的两步机制；3）晶界处水分子捕获现象解释了工业结晶中的杂质残留问题。这一发现不仅填补了多晶盐成核理论空白，更指导了低钠盐的晶型设计——通过调控蒸发速率可优化晶界密度，从而平衡溶解速度与苦味释放，这对开发新一代功能性食盐具有重要工业价值。