Новости

28 сентября, 2021 14:43

Жидкий зародыш и перегретый кристалл

Источник: Коммерсант
Физики МГТУ им. Н. Э. Баумана предложили новый подход к описанию и анализу локальных структурных свойств в кристаллах и жидкостях. Это позволяет лучше понять процесс плавления на микроскопическом уровне. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Источник: Kryuchkov et al. / Scientific Reports, 2021

Авторы провели компьютерные расчеты и серию экспериментов и показали, что их разработка подробно описывает все этапы плавления перегретых кристаллов — от появления жидкофазного «зародыша» до распространения плавления по всему образцу. Полученные результаты важны для исследований в области материаловедения, химии, физики и биологии: например, разработанный подход может оказаться удобным инструментом для анализа процессов управляемой самосборки в неживой мягкой материи и в живых клеточных и бактериальных системах.

«Плавление можно наблюдать почти в любом кристалле, если достаточно сильно нагреть его. Это еще и мультидисциплинарное явление, так как переходы между порядком и беспорядком свойственны различным системам в физике, химии и даже в науках о жизни. Необходимо уметь описывать подобные структурные трансформации, чтобы предсказывать их и управлять ими. В этом контексте важную роль играют относительно простые модели, которые качественно воспроизводят ключевые процессы изменения структуры. Примечательно еще то, что плавление может протекать не только в атомных или молекулярных системах, но и в мягкой материи, например клеточных мембранах или белках. Здесь отдельные частицы (в отличие от атомов) можно увидеть в реальном времени, что мы и продемонстрировали в нашей работе»,— рассказывает автор работы Станислав Юрченко, руководитель по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника» и декан факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

При изучении различных процессов на микроуровне нужно уметь правильно описывать эволюцию локальных свойств системы. В случае плавления важной характеристикой является локальная «разупорядоченность». Она характеризует то, как сильно частицы могут отклоняться от своих «усредненных» положений: в кристалле у каждой из них есть точка пространства, около которой она колеблется. Можно рассчитать средние значения отклонений частиц от этих положений равновесия и на их основе анализировать плавление. Существует даже эмпирический критерий Линдемана, согласно которому кристалл плавится, когда такое среднее достигает порядка 10–15% от межчастичного расстояния. Однако в жидкостях частицы постоянно двигаются, решетка разрушена и у частиц нет положений равновесия, а значит, применять такие подходы нельзя. Эта ситуация порождает необходимость поиска новых универсальных параметров, которые можно было бы определить как в жидкости, так и в твердом состоянии и использовать для описания процесса плавления на микроуровне.

Группа физиков из Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (Москва) предложила такой параметр, а совместно с английскими и китайскими коллегами провела исследование. Авторы воспользовались разбиением системы на ячейки Вороного: каждой частице ставится в соответствие многогранник, каждая точка которого ближе к выбранной частице, чем к любой другой. В результате система становится похожа на гранат, состоящий из зерен-ячеек Вороного. В кристалле «зерна» практически одинаковы и упорядочены в пространстве, а в жидкости намного сильнее отличаются друг от друга и расположены хаотично. Главное, что такое разбиение позволяет однозначным образом определить локальных соседей каждой частицы как в кристалле, так и в жидкости. Далее авторы предложили анализировать не отклонения частиц от положений равновесия, а отклонения от «средней» конфигурации соседей, полученной при помощи ячеек Вороного. Для этого параметра порядка авторы составили уравнения, которые описывают его эволюцию во времени и пространстве.

«Мы проверили нашу модель на разных системах — коллоидных суспензиях и в компьютерных симуляциях — с различными типами теплового движения частиц. Во всех случаях она позволила очень подробно описать основные этапы плавления: от спонтанного формирования “зародыша” жидкой фазы в перегретом кристалле до его роста и распространения “волны плавления” по всему образцу. Наши результаты можно применить, чтобы понять, как такие “зародыши” взаимодействуют между собой, как они влияют на фронт плавления в сильно перегретых кристаллах. Кроме того, предложенный подход можно обобщить для более сложных систем»,— подводит итог первый автор работы Никита Крючков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

3 декабря, 2021
Ученые Института катализа СО РАН разрабатывают технологию для получения водорода из дизельного топлива
Ученые ФИЦ Институт катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда разработали не имеющий ...
25 ноября, 2021
В ЛЭТИ разработали прототип биочипа для экспресс-диагностики инсультов
Прототип устройства позволит с помощью эффекта молекулярного биораспознавания, а также с помощью эфф...