Ученые Центра вычислительной физики МФТИ выяснили, почему жидкости сворачиваются в цилиндр в щелевых порах. Они изучили поведение несмешивающихся жидкостей в узких прямоугольных ячейках. Исследование актуально для нефтяной инженерии, материаловедения и микрофлюидики. Работа опубликована в журнале Molecular Simulation и поддержана грантом Российского научного фонда (проект №24-73-00129).
Исследование является продолжением работ по разработке алгоритма PANDA, который моделирует поведение несмешивающихся жидкостей в квадратных нанощелях. С его помощью были обнаружены шесть форм поверхностей раздела жидкостей, тогда как в научных работах описывалась только одна. Оказалось, что геометрия ячейки критически важна для определения стабильной формы поверхности. В результате нового исследования ученые выяснили, почему в квадратных нанощелях можно получить поверхности разных форм, а в прямоугольных преобладает форма рулона.
«Мы разгадали эту загадку. Дело в том, что исследователи берут сильно прямоугольную ячейку для экономии расчетного времени, что с вероятностью более 90% делает невозможным появление экзотических форм капель, сводя все расчеты к одной-единственной форме рулона или цилиндра»,— пояснил Илья Копаничук, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.
Физики обобщили классификацию форм поверхности на прямоугольные щели, введя параметр сжатия. Они построили диаграммы стабильности и подтвердили результаты в численном эксперименте в молекулярно-динамической симуляции на примере системы кальцит/н-декан/вода.
Исследование показало, что при увеличении асимметрии щели (например, одна сторона в два раза больше другой) проявление формы рулона или цилиндра превышает 50% от других конфигурации. Это практически в два раза больше, чем в случае симметричной квадратной ячейки. Проверка предложенной теории на примере системы кальцит/н-декан/вода полностью подтвердила эти предсказания.
«Преобладание цилиндрической формы было предсказуемо, но мы не ожидали, что настолько. В реальных расчетах с прямоугольными ячейками, где отношение сторон более 3, шанс найти другую форму менее 10%»,— отметил Степан Шистко, студент третьего курса Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, участник менторской программы МФТИ.
Рисунок. Основные геометрические параметры системы и влияние параметра сжатия k на форму блока моделирования. Источник: Molecular Simulation
Результаты исследования объясняют природу поведения жидкостей на наноуровне, показывая критическое влияние геометрии ячейки на форму поверхности. Результаты работы совершенствуют моделирование в различных масштабах — от атомистического к макромасштабу. Это увеличит точность симуляции поведения жидкостей в нанопорах, что позволит улучшить методы повышения нефтеотдачи, проектрировку потоков в порах для разработок эффективных лабораторий-на-чипе и фильтрации загрязнений.
«Мы доказали, что наш алгоритм PANDA будет работать и с ячейками с прямоугольным основанием. Это позволит на порядок ускорить расчеты краевых углов. Мы используем результаты работ по этому циклу для совершенствования своего алгоритма PANDA — он активно применяется в проектах нефтегазовой промышленности»,— рассказал Алексей Семенчук, учащийся программы iPhD Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.
«Жизненный цикл начальной идеи 2020 года про геометрический подход к исследованиям формы поверхности раздела жидкостей в щелях в приближении сплошной среды уже подходит к концу. Следующая наша работа про динамические краевые углы закроет тему окончательно. Планируем двигаться дальше!» — добавил Илья Копаничук.
Научная статья: Stepan Shistko, Alexey Semenchuk, Ivan Bakulin, Kirill Gerke, Nikolay Kondratyuk & Ilia Kopanichuk; Characterisation of the dominant liquid-liquid interface shape in confined systems during molecular simulations; Molecular Simulation, 51(16), 2025; DOI: https://doi.org/10.1080/08927022.2025.2574643
