Впервые удалось заглянуть внутрь точки фазового перехода вещества

Фото из открытых источников

Разработан оригинальный подход, позволяющий в деталях изучить детали изменений вещества в момент его перехода из одного состояния в другое. Например, когда происходит таяние льда и превращение его в воду, либо когда вода испаряется. Впервые не просто зафиксирован сам факт перехода, специалистам удалось провести анализ внутреннего состояния системы в критической точке.

Новый подход важен и для фундаментальных исследований, и для разработки материалов с уникальными свойствами, подчёркивает публикация в журнале Physical Review E.

Отличительной особенностью подобных фазовых переходов является скачкообразное изменение состояния вещества при конкретной критической температуре (для воды — 0°С и 100°С), причём, она остаётся неизменной, пока не произойдет полный переход. В этой особой точке вещество находится в виде смеси двух фаз: льда и воды или жидкости и пара.

Ученые до сих пор не обладали инструментарием для детального исследования вероятности нахождения системы в каждой из этих фаз при критической температуре. Специалистами Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН в союзе с аспирантами из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» разработан оригинальный подход, позволяющий в деталях изучать, что именно происходит с веществом в точке его перехода из одного состояния в другое.

На первом этапе был использован суперкомпьютер НИУ ВШЭ cHARISMa. Он позволил математически «заморозить» систему в точке фазового перехода, когда параллельно существуют лед и вода. И проделано это было тысячи раз для создания множества разных «копий» системы, застывших в уникальном состоянии этого превращения. Что позволило получить огромный объём данных о поведении системы в критической точке.

Далее был применен метод глубокого машинного обучения для распознавания воды, льда и их смеси. Что стало ключевым новшеством, поскольку ранее алгоритмы идентифицировали лишь два состояния. На этот раз, акцентируют авторы работы, удалось заглянуть внутрь критической точки. А далее эксперты намерены детализировать геометрические фазовые переходы в смешанном состоянии.

Знание механизма фазовых переходов поможет в создании новых сплавов, полимеров и функциональных материалов, в частности, с памятью формы, предрекают учёные.

«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. Существует гипотеза, что вероятность образования в смешанном состоянии кластера, достигающего макроскопических размеров, конечна. По-видимому, наш метод позволит придать этой гипотезе более четкую формулировку с оценкой такой вероятности», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Лев Щур, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией вычислительной физики НИУ ВШЭ и главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН.