Ученые из МФТИ, НИУ ВШЭ и ОИВТ РАН показали, что жидкость может перейти в стеклообразное состояние под действием давления. Эта работа не только раскрывает механизм перехода, заполняя пробелы в фундаментальных вопросах физики, но и предлагает подход, с высокой точностью моделирующий поведение материалов в экстремальных условиях. Результаты опубликованы в Journal of Molecular Liquids.
Витрификация (стеклование) вещества — это переход жидкости в стеклообразное (аморфное) твердое состояние. Этот процесс может происходить как за счет температурных изменений, так и под высоким давлением. Большинство исследований посвящено переходу при снижении температуры. Физики из МФТИ с коллегами в своей работе подробно изучили второй механизм перехода — за счет повышения давления — на примере 1-метилнафталина, углеводородной жидкости.
«Мы хотели разобраться, как жидкости превращаются в стекло, если не охлаждать их, а сильно сжимать. Хотя теория стеклования при охлаждении довольно хорошо проработана, теория стеклования под высоким давлением развита слабо. При этом в технике — в дизельных двигателях, мощных редукторах или подшипниках — давление может достигать тысяч атмосфер, и там теоретически тоже может происходить стеклование, что влияет на свойства смазок и промышленных жидкостей»,— рассказал Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.
Рисунок. (a) Структура молекулы 1-метилнафталина, (b) и (c) Вычислительные ячейки с жидким 1-метилнафталином, рассмотренные при 1 и 6200 атмосфер. Источник: Journal of Molecular Liquids
Ученые использовали молекулярно-динамические расчеты поведения жидкости в процессе сжатия при постоянной температуре. Они создали вычислительные ячейки из 512 молекул и меняли давление. После чего рассчитали ключевые характеристики жидкости: вязкость, диффузию, релаксационные времена и энтропию. Результаты показали, что в этом веществе происходит динамический переход, сопровождающийся увеличением вязкости сверхэкспоненциально.
Исследователи обнаружили, что движение молекул разделяется на виды. Поэтому поступательная диффузия замедляется одним образом, а вращательная — другим. Эта разница поведений — основная характеристика приближения состояния жидкости к стеклованию. Моделирование дало значение давления (3500 атмосфер), при котором система начинает вести себя как переохлажденная жидкость на пути к аморфному состоянию.
«Основная сложность — обеспечить точность и стабильность расчетов в экстремальных условиях. При высоком сжатии малейшая неточность в описании сил взаимодействия между молекулами приводит к большим ошибкам в результатах. Нам пришлось тщательно проверять и валидировать нашу молекулярную модель, сверяя ее с имеющимися экспериментальными данными при более низких давлениях. Кроме того, процессы в переохлажденной жидкости протекают очень медленно, поэтому для получения надежных данных потребовались длительные и ресурсоемкие расчеты»,— дополнил Борис Никитюк, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, аспирант второго года кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ.
Метод молекулярной динамики с точным описанием межатомного взаимодействия, предложенный исследователями, подходит для многих жидкостей. Ученые обнаружили структурный параметр — парную энтропию, которую оказалось возможно использовать в качестве универсального критерия для определения перехода в переохлажденное состояние перед стеклованием. Такой подход можно применять для скрининга и исследования молекулярных жидкостей (смазок, полимеров и растворителей) в поисках условий стеклования под давлением без сложных экспериментов.
Эта модель перспективна для проектирования эффективных и надежных смазочных материалов для высоконагруженных узлов трения (шестерен, подшипников) в транспортной промышленности. Она позволит понять, при каких давлениях начинаются нежелательные явления, связанные с резким ростом вязкости и потерей текучести. Это поможет не только создавать смазочные жидкости с необходимыми характеристиками и точно предсказывать их поведение.
«Мы планируем расширить круг изучаемых веществ, чтобы проверить универсальность найденных закономерностей, включая парную энтропию. Также интересно исследовать, как меняются непосредственно структурные свойства жидкости в окрестности этого перехода, и провести более детальный анализ возникающих динамических неоднородностей. В перспективе это позволит создать более полную теоретическую картину стеклования под давлением и, возможно, предложить практические рекомендации для химиков, разрабатывающих новые материалы»,— комментирует Василий Писарев, доцент кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, ведущий научный сотрудник международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией №14.2 теории конденсированного состояния в ОИВТ РАН.
