Российские исследователи предложили новый метод, который дает возможность подробно проследить изменения вещества в момент перехода между состояниями — например, при таянии льда или испарении воды. Впервые специалистам удалось не только зафиксировать сам факт перехода, но и изучить внутреннее состояние системы в критической точке. Ученые подчеркивают, что предложенный метод важен как для фундаментальной науки, так и для создания материалов с особыми характеристиками, таких как сплавы с памятью формы, полимеры для робототехники, элементы микроэлектроники и компоненты для космических технологий.

Что такое фазовый переход

Сотрудники Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН (Черноголовка) совместно с аспирантами Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) разработали нестандартный подход, позволяющий в деталях рассмотреть изменения вещества в момент перехода из одного состояния в другое на примере процесса таяния льда.

Фото: ИЗВЕСТИЯ/Дмитрий Коротаев

Для начального этапа эксперимента авторы использовали суперкомпьютер НИУ ВШЭ cHARISMa. С помощью вычислительных средств они математически «замораживали» систему в момент фазового перехода, когда лед и вода сосуществуют. При этом операция проводилась многократно — тысячи раз — что позволило получить множество различных «копий» системы, каждая из которых оказалась зафиксирована в уникальном состоянии превращения. Такой прием обеспечил большое число данных о поведении вещества в критической точке.

Справка «Известий»

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.

Ранее ученым не хватало инструментов, позволяющих детально определить вероятности пребывания системы в каждой из фаз при критической температуре. Анализ состояния при фазовом переходе первого рода важен не только для глубокого понимания природы таких переходов, но и для проектирования материалов с регулируемыми свойствами, например сплавов с эффектом памяти формы или специальных полимеров, пояснили авторы исследования.

Далее исследователи задействовали методы глубокого машинного обучения, чтобы различать три состояния: лед, вода и их смесь. Это ключевое новшество — вместо привычного деления на две фазы алгоритм научили распознавать три состояния, что позволило детализировать поведение в критической точке и заглянуть «внутрь» процесса. Благодаря этому подходу ученые смогли оценить вероятность нахождения вещества в каждом из состояний, чего раньше не удавалось из-за отсутствия подходящей методики.

Фото: Лев Щур Авторы исследования: Лев Щур, Диана Суховерхова и Вячеслав Мозоленко на фоне суперкомпьютера cHARISMA НИУ ВШЭ

— 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.

Применение методов машинного обучения для классификации откроет возможность исследовать широкий класс сложных систем в физике, химии и материаловедении, которые ранее было трудно или невозможно анализировать с такой степенью детализации, отметили авторы.

Какие новые материалы можно получить

Исследование формирует предпосылки для создания материалов с заданными свойствами — например, сплавов с эффектом памяти формы, специализированных полимеров и функциональных покрытий, способных менять структуру и характеристики под воздействием температуры, давления или электрического поля, заявил «Известиям», заведующий кафедрой физической химии НИТУ МИСИС Алексей Салимон.

Фото: ИЗВЕСТИЯ/Юлия Майорова

— 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.

Фото: Global Look Press/Bernhard Freisen/imageBROKER.com

Проведенные исследования открывают новые подходы для получения материалов в нетривиальных фазовых состояниях. В частности, это даёт возможность целенаправленно управлять оптическими и электронными свойствами материала без изменения его основного химического состава, меняя кристаллографическую или поверхностную фазу, отметил директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков. Контроль над фазой при этом можно осуществлять с помощью экстремальных режимов синтеза, выводящих систему из термодинамического равновесия.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review E.