В лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ провели молекулярно-динамический анализ воды в состоянии аморфного льда. Он практически не встречается на Земле, но является наиболее распространенной формой воды во Вселенной (входит в состав межзвездной пыли и ядер комет). Об исследовании сообщает пресс-служба МФТИ.
Вода обладает физическими свойствами, которые качественно отличаются от большинства других жидкостей. Большой интерес у ученых вызывает переохлажденная вода, известная своим полиморфизмом (существованием в состояниях с различной внутренней структурой). Сегодня фазовая диаграмма воды насчитывает не менее 19 модификаций кристаллического льда и три аморфных формы (не считая их производных). Наиболее обсуждаемыми из них являются аморфный лед высокой плотности (HDA) и низкой плотности (LDA), последний и распространен в космосе.
Исследования аморфного льда очень актуальны в крионике — технологии сохранения с помощью глубокого охлаждения. Для того чтобы клетка могла ожить после заморозки, необходимо, чтобы вода не кристаллизовалась, а осталась в аморфной фазе. Существование аморфных льдов ученые обнаружили еще в прошлом столетии: открытие Осаму Миcима твердофазной аморфизации (прямого перехода из кристаллической формы в разупорядоченное «аморфное» состояние) в 1984 году положило начало целой эпохе изучения природы этих неравновесных превращений. Сам процесс фазового перехода пока остается загадкой. Ученые выдвинули гипотезу о двухжидкостной модели воды и существовании второй критической точки, которая обрывается при переходе из аморфных льдов низкой плотности при низких температурах. Именно эта точка и вызывает живой интерес у исследователей фазовых состояний веществ.
Ранее проводимые ультразвуковые эксперименты по превращению аморфного льда низкой плотности в лед высокой плотности под действием давления или нагрева позволили получить зависимости модулей упругости от давления и температуры. В своей работе ученые МФТИ пошли дальше: от расчетов модели упругости перешли к нуклеации — начальной стадии роста кристалла из жидкости.
Диаграмма «температура — давление» аморфной и жидкой воды. Линия разделения между жидкостью низкой плотности и жидкостью высокой плотности заканчивается в критической точке «жидкость — жидкость» (LLCP). Эта точка расположена в области, называемой «ничейной землей», отмеченной желтым цветом, где экспериментально наблюдаются только кристаллические формы льда. Линии перехода, основанные на эксперименте, обозначены черными пунктирными линиями
«Мы построили микроскопическую картину этих экспериментально изученных превращений методом молекулярной динамики с моделью межатомного взаимодействия TIP4P/Ice, которая отвечает очень хорошему соотношению вычислительных затрат и точности расчетов. Это позволило нам изучить зависимость полученных величин упругих констант от скорости деформации, а также проанализировать влияние размера системы на процесс нуклеации», — рассказала о проекте Анастасия Шуплецова, магистрант МФТИ, инженер лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.
Ученые впервые провели сопоставление результатов экспериментального измерения упругих свойств аморфных льдов с компьютерным моделированием. Они использовали модель в несколько раз больше по количеству молекул в одной расчетной ячейке, чем модели, рассматриваемые ранее другими исследователями. Это позволило описать детали процесса нуклеации — образование и рост зародышей новой фазы при фазовом переходе. Сам факт появления зародышей может указывать на то, что рассмотренный переход является фазовым переходом первого рода.
«Данное исследование имеет в большей степени научное применение и позволяет нам изучить образование новых фаз при переходе воды в состояние аморфного льда. Экспериментально изучить процесс невозможно, так как кристаллизация переохлажденной воды происходит практически мгновенно. При построении компьютерной модели мы можем всесторонне изучать процесс перехода вблизи загадочной критической точки в этой труднодостижимой области, получившей название no man’s land (на рисунке обозначена желтым цветом). Дальнейшее исследование перехода воды в состояние аморфных льдов приближает нас к открытию новых способов сохранения клеток живых организмов путем охлаждения до низких температур», — пояснил Владимир Стегайлов, ведущий научный сотрудник международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа ВШЭ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Scientific Reports.