Трехмерные исследования стремительно становятся новым стандартом в науке. Первыми преимущества 3D-визуализации оценили медики: компьютерная томография раскрывает внутреннее строение организма там, где обычный рентген дает лишь плоский силуэт. Сегодня этот подход активно осваивают материаловедение, геология, горное дело и биология. Ученые все чаще работают не с плоскими снимками, а с объемными цифровыми моделями реальных объектов. Параллельно растут вычислительные мощности, позволяющие обрабатывать и анализировать огромные массивы трехмерных данных.
Однако получить объемную модель – лишь половина дела. Главная задача – правильно интерпретировать то, что на ней изображено. В биологических образцах томограмма фиксирует распределение тканей и клеточных структур. В геологии и материаловедении объем делится на «фазы»: области с разным составом и свойствами. Например, в горной породе это могут быть зерна различных минералов, а в новом композитном материале – включения металла, оксидов или сложных соединений. Для практиков важно не просто увидеть эти фазы, но и понять, как они расположены относительно друг друга, где проходят границы и какие участки наиболее перспективны для добычи или обработки.
Ключ к пониманию свойств материала или ткани кроется во взаимодействии фаз внутри объема. Анализ обычно проходит в два этапа. Сначала исследуют внутреннюю структуру каждой фазы: состоят ли ее частицы из цельных блоков или пронизаны каналами и порами? Каковы их размеры и как они распределены – равномерно или сгруппированы? Затем переходят к главному вопросу: как фазы связаны между собой? Что заполняет пустоты? Образуют ли они протяженные цепочки или изолированные островки? Чтобы результаты таких исследований можно было сравнивать, проверять и использовать в расчетах, их необходимо перевести на строгий математический язык.
Для этого отлично подходят числа Бетти – фундаментальные показатели из раздела математики, называемого алгебраической топологией. Простыми словами, β₀ описывает количество отдельных частиц или связных областей, β₁ – число сквозных тоннелей или каналов, а β₂ – количество полностью замкнутых внутренних полостей. Несмотря на простоту этих понятий, числа Бетти дают мощный аппарат для точного описания формы и внутренней архитектуры сложных многофазных систем.
Само по себе вычисление чисел Бетти для каждой отдельной фазы описывает лишь ее внутреннюю геометрию. Но настоящую ценность метод приобретает при анализе контактов. Ученые предлагают сравнивать числа Бетти отдельных фаз с теми же показателями для их объединения. Если взять две фазы, вычислить их β₀, β₁ и β₂ поодиночке, а затем рассчитать эти же числа для объема, где фазы объединены, возникает характерная «разница». Она возникает не случайно: слияние частиц, заполнение пор или образование новых каналов строго меняют топологические инварианты. Сравнивая значения для объединенной системы с контрольными точками (минимальным, максимальным и суммарным значениями), можно однозначно определить тип контакта. Применяя этот подход попарно ко всем фазам в образце, исследователи получают полную формализованную картину их пространственного взаимодействия. Это позволяет связать условия формирования материала с его итоговой топологией и, как следствие, с физическими свойствами.
Хотя чисел Бетти всего три, динамика их изменений при объединении фаз порождает множество сценариев. Важно и то, что исходные значения β для разных фаз могут сильно отличаться, что добавляет анализу глубины. Чтобы не гадать, а точно классифицировать каждый случай, авторы разработали строгую математическую схему.
Младший научный сотрудник Института химии и технологии Кольского научного центра РАН, кандидат химических наук Диана Мануковская и ведущий научный сотрудник Геологического института КНЦ РАН, директор Инженерной школы Мурманского арктического университета, кандидат геолого-минералогических наук Андрей Калашников разработали универсальную математическую модель для анализа таких контактов. Они строго доказали, как именно изменение каждого из трех чисел Бетти при объединении фаз связано с конкретными физическими процессами: слиянием частиц, заполнением пустот или рождением новых каналов. Итогом работы стали готовые таблицы-алгоритмы, которые превращают сырые данные томографии в четкие топологические выводы. Метод не требует перебора всех объектов попарно и подходит для анализа любых трехмерных многофазных систем – от горных пород и сплавов до биологических тканей.
Результаты исследования опубликованы в международном журнале Mathematics.
Источник: Минобрнауки России
