Нова модель плавлення: один рідкий «зародок» захоплює весь перегрітий кристал

18

Фізики мгту імені н. Е.баумана запропонували новий підхід до опису та аналізу локальних структурних властивостей в кристалах і рідинах, що дозволяє краще зрозуміти процес плавлення на мікроскопічному рівні. Автори провели комп’ютерні розрахунки, а також серію експериментів і показали, що їх розробка детально описує всі етапи плавлення перегрітих кристалів: від появи рідкофазного «зародка» до поширення плавлення по всьому зразку.

Отримані результати важливі для досліджень в галузі матеріалознавства, хімії, фізики та біології: наприклад, розроблений підхід може виявитися зручним інструментом для аналізу процесів керованої самозбірки в неживій м’якій матерії і в живих клітинних і бактеріальних системах. З результатами роботи, поддержаннойгрантом російського наукового фонду (рнф), можна ознайомитися на сторінках журналу scientific reports.

«плавлення можна спостерігати майже в будь-якому кристалі, якщо досить сильно нагріти його. Це ще й мультидисциплінарне явище, так як переходи між порядком і безладом властиві різним системам у фізиці, хімії і навіть в науках про життя. Необхідно вміти описувати подібні структурні трансформації, щоб передбачати їх і управляти ними. У цьому контексті важливу роль відіграють відносно прості моделі, які якісно відтворюють ключові процеси зміни структури. Примітно ще те, що плавлення може протікати не тільки в атомних або молекулярних системах, але і в м’якій матерії, наприклад клітинних мембранах або білках. Тут окремі частинки (на відміну від атомів) можна побачити в реальному часі, що ми і продемонстрували в нашій роботі», — розповідає автор роботи станіслав юрченко, керівник по гранту рнф, доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник ноц «фотоніка та ік-техніка» і декан факультету «біомедична техніка» мгту імені н. Е.баумана.

При вивченні різних процесів на мікрорівні потрібно вміти правильно описувати еволюцію локальних властивостей системи. У разі плавлення важливою характеристикою є локальна «разупорядоченность». Вона характеризує те, як сильно частинки можуть відхилятися від своїх «усереднених» положень: в кристалі у кожної з них є точка простору, біля якої вона коливається. Можна розрахувати середні значення відхилень частинок від цих положень рівноваги і на їх основі аналізувати плавлення.

Існує навіть емпіричний критерій ліндемана, згідно з яким кристал плавиться, коли таке середнє досягає близько 10-15% від міжчастинної відстані. Однак в рідинах частинки постійно рухаються, решітка зруйнована і у частинок немає положень рівноваги, а значить, застосовувати такі підходи не можна. Ця ситуація породжує необхідність пошуку нових універсальних параметрів, які можна було б визначити як в рідині, так і в твердому стані і використовувати для опису процесу плавлення на мікрорівні.

Група фізиків з московського державного технічного університету імені н. Е. Баумана (москва) запропонувала такий параметр, а спільно з англійськими та китайськими колегами провела дослідження. Автори скористалися розбиттям системи на осередки вороного: кожній частинці ставиться у відповідність багатогранник, кожна точка якого ближче до обраної частинки, ніж до будь-якої іншої. В результаті система стає схожа на гранат, що складається з зерен-осередків вороного.

В кристалі «зерна» практично однакові і впорядковані в просторі, а в рідині набагато сильніше відрізняються один від одного і розташовані хаотично. Головне, що таке розбиття дозволяє однозначним чином визначити локальних сусідів кожної частинки як в кристалі, так і в рідині. Далі автори запропонували аналізувати не відхилення частинок від положень рівноваги, а відхилення від «середньої» конфігурації сусідів, отриманої за допомогою осередків вороного. Для цього параметра порядку автори склали рівняння, які описують його еволюцію в часі і просторі.

» ми перевірили нашу модель на різних системах-колоїдних суспензіях і в комп’ютерних симуляціях-з різними типами теплового руху частинок. У всіх випадках вона дозволила дуже детально описати основні етапи плавлення: від спонтанного формування » зародка «рідкої фази в перегрітому кристалі до його зростання і поширення» хвилі плавлення » по всьому зразку. Наші результати можна застосувати, щоб зрозуміти, як такі» зародки » взаємодіють між собою, як вони впливають на фронт плавлення в сильно перегрітих кристалах. Крім того, запропонований підхід можна узагальнити для більш складних систем», — підводить підсумок перший автор роботи микита крючков, кандидат фізико-математичних наук, наукового співробітника ноц фотоніка та ік-техніка мгту ім не баумана.

Малюнок 1. Модель плавлення кристала, де осередки вороного пофарбовані в залежності від значення запропонованого авторами параметра.синій колір відповідає твердому стану, червоний-рідкому. Джерело: kryuchkov et al. / scientific reports, 2021

28.09.2021