Фазовый принцип: эффект таяния льда поможет создать новые материалы с памятью формы
- Статьи
- Наука и техника
- Фазовый принцип: эффект таяния льда поможет создать новые материалы с памятью формы
Российские ученые разработали оригинальный подход, который позволяет в деталях изучить, что происходит с веществом в момент его перехода из одного состояния в другое — например, когда лед тает, превращаясь в воду, или когда вода испаряется. Впервые специалистам удалось не просто зафиксировать сам факт перехода, но и проанализировать внутреннее состояние системы в критической точке. Предложенный подход важен не только для фундаментальных исследований, но и для проектирования материалов с уникальными свойствами, например сплавов с эффектом памяти формы, полимеров для робототехники, микроэлектроники и космических технологий, отмечают эксперты.
Что такое фазовый переход
Ученые из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН (Черноголовка) и аспиранты из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) разработали оригинальный подход, который позволяет в деталях изучить, что происходит с веществом в момент его перехода из одного состояния в другое, на примере таяния льда.
Для первого этапа исследования авторы использовали суперкомпьютер НИУ ВШЭ cHARISMa. С помощью этого устройства ученые математически «заморозили» систему в точке фазового перехода, когда одновременно существуют лед и вода. Причем они делали это не один раз, а тысячи, создавая множество разных «копий» системы, каждая из которых застыла в уникальном состоянии этого превращения. Такой подход позволил получить большое количество данных о поведении в критической точке.
Фазовый переход первого рода — это фундаментальный процесс, при котором вещество переходит из одного состояния в другое. Например, лед при температуре 0 °С начинает таять и превращаться в воду, а вода при температуре 100 °С кипит и испаряется. Отличительная особенность таких фазовых переходов — скачкообразное изменение состояния вещества при определенной критической температуре (для воды — 0 °С и 100 °С), которая не меняется, пока не произойдет полный переход. В этой точке вещество существует в виде смеси двух фаз: льда и воды или жидкости и пара соответственно.
До сих пор у ученых не было инструментов, чтобы детально изучить вероятности нахождения системы в каждой из этих фаз при критической температуре. Исследование состояния при температуре фазового перехода первого рода важно не только для фундаментального понимания природы переходов, но и для дизайна материалов с контролируемыми свойствами, например сплавов с эффектом памяти формы или полимеров, рассказали ученые.
На следующем этапе исследователи применили метод глубокого машинного обучения для распознавания одной из трех фаз: воды, льда и их смеси. Это ключевое новшество — вместо традиционного разделения на две фазы алгоритм научился идентифицировать три состояния, позволив детализировать критическую точку и посмотреть, что происходит внутри. Таким образом ученым удалось оценить вероятность нахождения вещества в том или ином состоянии, что ранее не удавалось из-за отсутствия подходящей для этого методики.
— Комбинация суперкомпьютерных технологий для получения большого набора данных и методов машинного обучения для их анализа позволила нам по-новому посмотреть на фазовый переход первого рода. Фактически, нам удалось заглянуть внутрь критической точки. В дальнейшем мы планируем детально изучить геометрические фазовые переходы в смешанном состоянии. Существует гипотеза, что вероятность образования в смешанном состоянии кластера, достигающего макроскопических размеров, конечна. По-видимому, наш метод позволит придать этому более четкую формулировку с оценкой такой вероятности, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией вычислительной физики НИУ ВШЭ и главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН Лев Щур.
Классификация с помощью машинного обучения позволит изучать целый класс сложных систем в физике, химии и материаловедении, которые ранее было трудно или невозможно анализировать с такой детализацией, рассказали ученые.
Какие новые материалы можно получить
Исследование открывает возможности для проектирования новых материалов с управляемыми свойствами — например, сплавов с эффектом памяти формы, полимеров и функциональных покрытий, которые способны изменять структуру и характеристики под действием температуры, давления или электрического поля, сказал «Известиям», заведующий кафедрой физической химии НИТУ МИСИС Алексей Салимон.
— Такие материалы востребованы в микроэлектронике, аэрокосмической отрасли, медицине и робототехнике. Понимание того, что происходит в веществе в момент фазового перехода, помогает осознанно уточнять параметры расчетных моделей и тем самым прогнозировать, как изменить состав или структуру вещества, чтобы получить нужные свойства. Наибольший прогресс в этой области ожидается при сочетании суперкомпьютерных расчетов, машинного обучения и экспериментов, — рассказал эксперт.
Материалы фазового перехода (МФП) способны накапливать энергию от 100 до 300 кДж/кг и отдавать ее в узком диапазоне температур, пояснил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.
— Используются как водонагреватели, портативные аккумуляторы тепла для кондиционирования и сглаживания перепадов температур внутри помещений. По прогнозам, мировой рынок материалов с фазовым переходом к 2030 году достигнет $6,3 млрд, ежегодно увеличиваясь примерно на 19,8%. В России пока доступны только импортные исходные материалы, — отметил ученый.
Проведенные исследования открывают новые подходы для создания материалов в нетривиальных фазах. В частности, таким образом можно целенаправленно контролировать оптические и электронные свойства материала, не меняя его базовый химический состав, а управляя его кристаллографической или поверхностной фазой, сказал директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков. При этом контроль над фазой может достигаться путем использования экстремальных режимов синтеза, которые выводят систему из термодинамического равновесия.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review E.
