Учёные из Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН в сотрудничестве с Национальным исследовательским университетом «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ) разработали инновационный метод для детального анализа процессов, сопровождающих фазовые переходы. Фазовый переход представляет собой фундаментальное явление, связанное с изменением агрегатного состояния вещества в ответ на изменение термодинамических параметров, таких как температура и давление. До настоящего времени исследователи могли лишь констатировать сам факт перехода, не обладая возможностью детально изучить внутреннюю структуру системы в критический момент.
Результаты этого исследования, опубликованные в авторитетном журнале Physical Review E, открыли новые горизонты в понимании физики конденсированных сред и предоставили методологическую базу для создания материалов с уникальными физико-химическими свойствами.
Читайте также
Фазовые переходы характеризуются сохранением термодинамического равновесия при постоянной температуре. Например, вода переходит в парообразное состояние при 100 °C, а лёд – в жидкое при 0 °C. В этих процессах вещество может находиться в двух фазах одновременно, что приводит к образованию так называемой метастабильной системы.
Ранее не существовало инструментов для детального наблюдения за распределением фаз и их взаимодействием. Разработанный метод, основанный на применении суперкомпьютерных технологий и алгоритмов машинного обучения, позволил преодолеть этот методологический барьер, обеспечив высокую точность и разрешение при анализе этих сложных процессов.
Использование суперкомпьютеров и машинного обученияДля моделирования фазовых переходов была задействована вычислительная инфраструктура суперкомпьютера НИУ ВШЭ cHARISMa. Множество численных расчётов, проведённых на этой платформе, позволило «заморозить» систему в состоянии сосуществования твёрдой и жидкой фаз. Сформированная база данных содержит обширную информацию о динамике фазового превращения, что позволило выявить ранее неизвестные аспекты этого процесса.
Для анализа полученных данных был применён метод глубокого обучения с использованием нейронных сетей, что позволило не только идентифицировать чистые состояния воды и льда, но и обнаружить промежуточные фазы в критической точке. Этот подход открыл новые возможности для исследования фазовых переходов, которые ранее были недоступны из-за недостаточной точности измерений и вычислительных ресурсов.
Практическое значение результатовПонимание механизмов фазовых переходов имеет фундаментальное значение для различных областей науки и техники. Среди них можно выделить:
Разработка новых материалов с заданными свойствами: сплавы, полимеры и композиты.
Создание материалов с эффектом памяти формы: где фазовые переходы используются для управления изменением структуры материала.
Оптимизация процессов охлаждения и нагрева: точное понимание динамики фазовых переходов позволяет повысить эффективность этих процессов.
Лев Щур, руководитель проекта и доктор физико-математических наук, отмечает, что «существует гипотеза о вероятности формирования макроскопических кластеров в смешанном состоянии. Разработанный метод позволяет более точно оценить эту вероятность, что открывает новые перспективы для материаловедения».
Перспективы дальнейших исследованийСледующий этап исследований направлен на изучение геометрических фазовых переходов, включающих процессы формирования и разрушения структур на атомном и наномасштабном уровнях. Полученные данные позволят уточнить существующие теоретические модели и способствовать созданию новых функциональных материалов, таких как умные металлы, адаптивные полимеры и наноструктуры.
Развенчание мифовМиф: Фазовый переход происходит мгновенно. Факт: Это сложный процесс, длительность которого зависит от множества факторов, включая температуру, давление и свойства вещества.
Миф: Внутренние процессы в критической точке невозможно наблюдать. Факт: Современные методы, включая суперкомпьютерное моделирование и машинное обучение, позволяют детально анализировать эти процессы с высокой точностью.
Миф: Теория фазовых переходов полностью изучена. Факт: Многие аспекты этого явления остаются предметом активных исследований, открывая новые возможности для научного прогресса и практического применения, пишет источник.