Наука щедра на разного рода сюрпризы, в том числе там, где их не ждешь. Например, даже в таких «элементарно простых» явлениях, как кристаллизация и аморфизация, вдруг выявляется много неожиданного. В этом убеждается, проводя исследования, ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Юрий ФОМИН (на снимке) из Института физики высоких давлений им. Л.Ф.Верещагина РАН. О своих находках и открытиях он рассказал «Поиску».
— Все мы знаем, что вещества могут быть в разных агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом. Жидкости при охлаждении замерзают, то есть переходят в твердое состояние, которое может иметь две формы: кристаллическую и аморфную. Кристаллы характеризуются четким периодическим расположением атомов, тогда как аморфные вещества такого порядка не имеют.
Считается, что при медленном охлаждении ниже температуры кристаллизации жидкости кристаллизуются, а при быстром переходят в аморфное состояние. Некоторые вещества легко аморфизуются, а другие очень легко преобразуются в кристалл, и «заставить» их перейти в аморфное состояние оказывается практически невозможно. Обычно для того, чтобы жидкость легко переходила в аморфное состояние, а не в кристалл, она должна быть «сложной». Например, состоять из нескольких типов атомов или из сложных молекул, как органические вещества. В этом плане сейчас активно исследуются так называемые высокоэнтропийные сплавы, которые состоят из пяти-шести типов атомов. Более простые жидкости, например, расплавы металлов, наоборот, хорошо кристаллизуются.
Цель нашей работы — выявить общие механизмы, происходящие при затвердевании жидкостей, будь это кристаллизация или аморфизация. Для этого мы применяем упрощенные модели, которые позволяют выделить какие-то существенные черты вещества и более направленно изучить их влияние на кристаллизацию или аморфизацию. С другой стороны, рассматриваем реальные вещества, такие как вода, и органические жидкости — пропиленгликоль, пропиленкарбонат.
— Все, что вы исследуете, вроде бы давно хорошо известно. Неужели такие распространенные явления, как кристаллизация и аморфизация, до сих пор не до конца поняты?
— Процитирую Сократа: «Я знаю только то, что ничего не знаю!» Переходы из жидкости в твердое состояние и наоборот хорошо известны нам из повседневного опыта. Все мы много раз наблюдали, как зимой на воде образуется кромка льда, а весной этот лед тает. Тем не менее эти явления полны загадок. Вода — самый яркий тому пример. Ее поведение крайне нестандартное, если сравнивать с другими жидкостями. Ни одна существующая модель не может объяснить это. Обычный лед, который мы наблюдаем на водоемах зимой, — кристаллический. Однако вода может легко переходить также в аморфное состояние. В зависимости от условий она формирует две разные модификации, их называют аморфным льдом с низкой и высокой плотностью. При повышении давления вода способна кристаллизоваться в огромное количество разных структур. А если добавить еще один параметр — поместить воду в пористую среду — то сложность системы еще сильнее возрастет. Поэтому даже в таких, казалось бы, избитых областях есть много непознанного.
— В вашей работе указывается, что кристаллизация, аморфизация и плавление могут проходить в двух, квазидвух и трех измерениях. Почему так происходит и что представляет собой второй случай?
— Обычно мы имеем дело с трехмерным пространством: длина — ширина — высота. Изучаем также двумерные системы — тонкие пленки. В этом случае высота системы пренебрежимо мала, и рассматривают только длину и ширину. Поведение двумерных систем может существенно отличаться от трехмерных, поэтому требует отдельного исследования. Кроме того, существует некоторый промежуточный случай, который мы назвали квазидвумерным, то есть почти двумерным. Это когда жидкость попадает в пористую среду, в которой есть полости. В простейшем случае полости имеют форму параллелепипедов (щелевая пора), высота которых мала, вплоть до нескольких размеров атомов. Из-за таких размеров появляются эффекты, которые не наблюдаются ни в трехмерном, ни в двумерном пространствах. Например, температура плавления вещества изменяется немонотонно с изменением ширины поры. Поэтому квазидвумерный случай не сводится ни к трехмерному, ни к двумерному и требует отдельного изучения. Вообще поведение квазидвумерных систем изучено недостаточно хорошо, хотя они часто встречаются в природе, например, при просачивании воды через глинистые породы.
— Кому могут быть интересны исследования по вашей тематике?
— В перспективе полученные результаты могут быть использованы в нескольких областях. В первую очередь это разработка новых материалов. Например, в некоторых технологиях требуются аморфные металлические сплавы. Для их создания нужны детальные знания о процессах аморфизации сплавов.
Но основная ценность наших исследований связана именно с «плавным переходом» от трехмерных систем к двумерным через квазидвумерные. Двумерные системы важны для понимания поведения тонких пленок, например, используемых для защитных покрытий. В зависимости от толщины напыления эта пленка может быть квазидвумерной, то есть иметь достаточно большую толщину, и тогда ее свойства будут другими.
Наконец, переходя в наиболее привычное для нас трехмерное пространство, мы наблюдаем очередное изменение свойств. Но все эти переходы взаимосвязаны, и возможность выявить эту связь — большая ценность для науки о материалах.
— Как выглядит процесс изучения этой темы?
— Я занимаюсь компьютерным моделированием поведения жидкостей, кристаллов и аморфных веществ. Для работы мне нужны суперкомпьютеры, то есть компьютерные кластеры с большой производительностью. Для моделирования поведения вещества беру некоторое количество его «составных частей», атомов или молекул, и задаю силы их взаимодействия. После этого молекулы начинают перемещаться в пространстве, сталкиваться друг с другом, разлетаться. Их движение зависит от температуры и давления. По этому движению мы можем определить, в каком состоянии находится вещество: газообразном, жидком, кристаллическом или аморфном. Результатом работы станет предсказание поведения вещества в широком диапазоне температур и давлений.
Кроме того, в рамках проекта наша группа будет проводить совместное теоретическое и экспериментальное изучение жидкостей и аморфных веществ. Экспериментальная часть в основном основана на ультразвуковых методах исследования, которые позволяют установить многие важные закономерности перехода жидкости в аморфное состояние.
— Насколько активно другие ученые занимаются этой темой?
— Такие исследования широко распространены в мире. Думаю, что наша «изюминка» в качестве проводимых работ. Мы всегда пытаемся максимально полно изучить интересующие нас объекты и взглянуть на них с нестандартной стороны. Нередко из, казалось бы, обычных данных мы получали оригинальные выводы. На мой взгляд, красота науки как раз и заключается в возможности увидеть что-то ценное там, где его никто не замечал.
Например, в одной из недавних работ мы обсуждали кристаллическую структуру коллоидной системы в квазидвумерном пространстве. До сих пор описание структуры таких систем строилось на «ручном подсчете»: наблюдали какое-то количество слоев с определенной структурой в каждом слое. Мы проделали вычисления, во многом аналогичные тем, которые уже не раз проводились, но более детальный анализ позволил выявить, что на самом деле эти структуры — срезы трехмерных структур. Это позволило нам установить связь между структурой кристаллов с разной размерностью пространства. Лично мне это представляется очень фундаментальным результатом — мы увидели единые закономерности там, где до этого их не видели.
— Случались ли еще какие-то нестандартные события?
— Бывало. Например, как-то мне на глаза попались работы по изучению плавления графена. На уровне интуиции у меня возникло чувство, что в них какая-то ошибка. Почти год ушел на обдумывание этого вопроса и собственные работы в этом направлении. В результате я понял одну простую вещь: в самом начале работ известных ученых, в которых рассматривалось плавление графена, была допущена элементарная ошибка на уровне первого курса физических факультетов. Как только эта ошибка была исправлена, все стало на свои места.
— Планируете ли вы продолжать заниматься вашей темой или перейдете к другим исследованиям?
— Для меня лучший вариант или образ научной работы — это броуновское движение. Напомню, что это хаотичное движение частиц в жидкости или газе. Как мне кажется, темы исследований выбираются примерно так же. Приходят какие-то мысли по теме, которой занимаешься сейчас, смотришь, что делают другие, обсуждаешь на конференциях. Это все «толкает» в разные стороны. Начинаешь постепенно смещаться к каким-то смежным вопросам, возвращаешься к прошлым темам, но уже с другой стороны и на другом уровне. Наука бесконечна, и очень важно не замыкаться в чем-то одном, а стараться охватить как можно больше.
Фирюза Янчилина
Нет комментариев