Ученые разработали новый подход, позволяющий эффективно анализировать локальные структурные свойства в кристаллах и жидкостях. Это поможет лучше понять процесс плавления на всех его этапах. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
Процесс плавления можно наблюдать практически в любом кристалле при условии достаточно сильного нагревания. Плавление может также происходить в мягкой материи — клеточных мембранах или белках. Примечательно то, что в таком случае частицы можно увидеть в режиме реального времени. Именно это свойство помогло ученым в новом исследовании.
Наиболее важная характеристика в плавлении — локальная «разупорядоченность». Она показывает, как сильно частицы могут отклоняться от своих средних положений. У каждой частицы есть своя точка пространства, около которой она колеблется, — от этих положений равновесия можно рассчитать значения отклонений. Эти данные, в свою очередь, позволяют проанализировать плавление. По эмпирическому критерию Линдемана, кристалл плавится, когда среднее значение достигает порядка 10–15% от межчастичного расстояния. Однако подобный подход неэффективен в жидкостях, поскольку движение частиц непрерывно, решетка разрушена, а у частиц нет положений равновесия.
Группа ученых из Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана разбила систему на ячейки Вороного. Каждой частице ставится в соответствие многогранник, каждая точка которого ближе к выбранной частице, чем к любой другой. В кристалле ячейки практически одинаковы и упорядочены в пространстве — примечательно, что подобное разбиение помогает определить локальных соседей каждой частицы как в кристалле, так и в жидкости. Затем авторы проанализировали отклонения от «средней» конфигурации соседей (полученной при помощи ячеек Вороного), а не отклонения частиц от положений равновесия. Для этого параметра ученые составили уравнения, описывающие его эволюцию во времени и пространстве.
«Мы проверили нашу модель на разных системах — коллоидных суспензиях и в компьютерных симуляциях — с различными типами теплового движения частиц. Во всех случаях она позволила очень подробно описать основные этапы плавления: от спонтанного формирования "зародыша" жидкой фазы в перегретом кристалле до его роста и распространения "волны плавления" по всему образцу. Наши результаты можно применить, чтобы понять, как такие "зародыши" взаимодействуют между собой, как они влияют на фронт плавления в сильно перегретых кристаллах. Кроме того, предложенный подход можно обобщить для более сложных систем», — заключает Никита Крючков, первый автор работы, научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
