Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review E.
Ученые из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН (Черноголовка) и аспиранты из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) разработали оригинальный подход, который позволяет в деталях изучить, что происходит с веществом в момент его перехода из одного состояния в другое, на примере таяния льда.
Для первого этапа исследования авторы использовали суперкомпьютер НИУ ВШЭ cHARISMa. С помощью этого устройства ученые математически «заморозили» систему в точке фазового перехода, когда одновременно существуют лед и вода. Причем они делали это не один раз, а тысячи, создавая множество разных «копий» системы, каждая из которых застыла в уникальном состоянии этого превращения. Такой подход позволил получить большое количество данных о поведении в критической точке.
До сих пор у ученых не было инструментов, чтобы детально изучить вероятности нахождения системы в каждой из этих фаз при критической температуре. Исследование состояния при температуре фазового перехода первого рода важно не только для фундаментального понимания природы переходов, но и для дизайна материалов с контролируемыми свойствами, например сплавов с эффектом памяти формы или полимеров, рассказали ученые.
На следующем этапе исследователи применили метод глубокого машинного обучения для распознавания одной из трех фаз: воды, льда и их смеси. Это ключевое новшество — вместо традиционного разделения на две фазы алгоритм научился идентифицировать три состояния, позволив детализировать критическую точку и посмотреть, что происходит внутри. Таким образом ученым удалось оценить вероятность нахождения вещества в том или ином состоянии, что ранее не удавалось из-за отсутствия подходящей для этого методики.
— Комбинация суперкомпьютерных технологий для получения большого набора данных и методов машинного обучения для их анализа позволила нам по-новому посмотреть на фазовый переход первого рода. Фактически, нам удалось заглянуть внутрь критической точки. В дальнейшем мы планируем детально изучить геометрические фазовые переходы в смешанном состоянии. Существует гипотеза, что вероятность образования в смешанном состоянии кластера, достигающего макроскопических размеров, конечна. По-видимому, наш метод позволит придать этому более четкую формулировку с оценкой такой вероятности, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией вычислительной физики НИУ ВШЭ и главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН Лев Щур.
Классификация с помощью машинного обучения позволит изучать целый класс сложных систем в физике, химии и материаловедении, которые ранее было трудно или невозможно анализировать с такой детализацией, рассказали ученые.
Исследование открывает возможности для проектирования новых материалов с управляемыми свойствами — например, сплавов с эффектом памяти формы, полимеров и функциональных покрытий, которые способны изменять структуру и характеристики под действием температуры, давления или электрического поля, сказал «Известиям», заведующий кафедрой физической химии НИТУ МИСИС Алексей Салимон.
— Такие материалы востребованы в микроэлектронике, аэрокосмической отрасли, медицине и робототехнике. Понимание того, что происходит в веществе в момент фазового перехода, помогает осознанно уточнять параметры расчетных моделей и тем самым прогнозировать, как изменить состав или структуру вещества, чтобы получить нужные свойства. Наибольший прогресс в этой области ожидается при сочетании суперкомпьютерных расчетов, машинного обучения и экспериментов, — рассказал эксперт.
Материалы фазового перехода (МФП) способны накапливать энергию от 100 до 300 кДж/кг и отдавать ее в узком диапазоне температур, пояснил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.
— Используются как водонагреватели, портативные аккумуляторы тепла для кондиционирования и сглаживания перепадов температур внутри помещений. По прогнозам, мировой рынок материалов с фазовым переходом к 2030 году достигнет $6,3 млрд, ежегодно увеличиваясь примерно на 19,8%. В России пока доступны только импортные исходные материалы, — отметил ученый.
Проведенные исследования открывают новые подходы для создания материалов в нетривиальных фазах. В частности, таким образом можно целенаправленно контролировать оптические и электронные свойства материала, не меняя его базовый химический состав, а управляя его кристаллографической или поверхностной фазой, сказал директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков. При этом контроль над фазой может достигаться путем использования экстремальных режимов синтеза, которые выводят систему из термодинамического равновесия.
