Специалисты МГТУ имени Н. Э. Баумана разработали новый подход к анализу локальных структурных свойств в кристаллах и жидкостях, который дает возможность лучше понять процесс плавления на микроскопическом уровне.
С помощью компьютерных тестов и серии экспериментов физики показали, что их разработка подробно описывает все этапы плавления перегретых кристаллов: от появления жидкофазного «зародыша» до распространения плавления по всему объекту. Это важно для исследований в области материаловедения, химии, физики и биологии. Так, новую технологию можно применять для анализа процессов управляемой самосборки как в неживой мягкой материи, так 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, руководитель по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника» и декан факультета «Биомедицинская техника» МГТУ имени Н. Э. Баумана Станислав Юрченко.
Чтобы изучать различные процессы на микроуровне, необходимо правильно описывать эволюцию локальных свойств системы. Когда речь идет о плавлении, важна локальная «разупорядоченность». От нее зависит, как сильно частицы могут отклоняться от своих «усредненных» положений в кристалле. Рассчитав средние значения отклонений частиц от положений равновесия, можно проанализировать плавление. Согласно эмпирическому критерию Линдемана кристалл плавится, когда такое среднее достигает 10-15 процентов от межчастичного расстояния.
Однако в жидкостях частицы постоянно двигаются, у них нет положений равновесия, а значит, стандартные подходы не работают. Физики вынуждены искать универсальные параметры, которые можно использовать для описания процесса плавления на микроуровне как в жидкости, так и в твердом состоянии.
Ученые из МГТУ имени Н. Э. Баумана предложили такой параметр и провели исследование совместно с английскими и китайскими коллегами. 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.
«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, кандидат физико-математических наук, научного сотрудника НОЦ Фотоника и ИК-техника МГТУ им. НЭ Баумана Никита Крючков.
С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Scientific Reports.