Ученые приблизились к решению главной проблемы крионики
Исследование воды, ее состояний и форм — одна из важных задач науки. Молекулярно-динамический анализ воды в состоянии аморфного льда провели ученые Московского физико-технического института (МФТИ).
Аморфный лед практически не встречается на Земле, но является наиболее распространенной формой H2O во Вселенной (входит в состав межзвездной пыли и ядер комет). Его исследования очень актуальны в крионике — технологии сохранения с помощью глубокого охлаждения. Для того чтобы клетка могла ожить после заморозки, необходимо, чтобы вода не кристаллизовалась, а осталась в аморфной фазе.
Диаграмма «температура—давление» аморфной и жидкой воды. LLCP — критическая точка разделения между жидкостью низкой и высокой плотности. Желтая зона — «ничейная земля»: только кристаллические формы льда. Линии перехода — черные пунктирные линии
Вода играет центральную роль во многих физических, биологических и промышленных процессах и обладает физическими свойствами, которые качественно отличаются от большинства других жидкостей. Большой интерес у ученых вызывает переохлажденная вода, известная своим полиморфизмом (существованием в состояниях с различной внутренней структурой). Сегодня фазовая диаграмма воды насчитывает не менее 19 модификаций кристаллического льда и три аморфных формы (не считая их производных). Наиболее обсуждаемыми из них являются аморфный лед высокой плотности (HDA) и низкой плотности (LDA). Последний распространен в космосе.
Существование аморфных льдов ученые обнаружили еще в прошлом столетии: открытие Осаму Мишима твердофазной аморфизации (прямого перехода из кристаллической формы в разупорядоченное «аморфное» состояние) в 1984 году положило начало целой эпохе изучения природы этих неравновесных превращений. Сам процесс фазового перехода пока остается загадкой. Ученые выдвинули гипотезу о двухжидкостной модели воды и существования второй критической точки, которая обрывается при переходе из аморфных льдов низкой плотности при низких температурах. Именно эта точка и вызывает живой интерес у исследователей фазовых состояний веществ.
Ранее проводимые ультразвуковые эксперименты по превращению аморфного льда низкой плотности в лед высокой плотности под действием давления или нагрева позволили получить зависимости модулей упругости от давления и температуры. В своей работе ученые МФТИ пошли дальше: от расчетов модели упругости перешли к нуклеации — начальной стадии роста кристалла из жидкости.
«В нашем исследовании мы построили микроскопическую картину этих экспериментально изученных превращений методом молекулярной динамики с моделью межатомного взаимодействия TIP4P/Ice, которая отвечает очень хорошему соотношению вычислительных затрат и точности расчетов. Это позволило нам изучить зависимость полученных величин упругих констант от скорости деформации, а также проанализировать влияние размера системы на процесс нуклеации», — рассказала о проекте магистрант, инженер лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Анастасия Шуплецова.
В этой работе ученые впервые провели сопоставление результатов экспериментального измерения упругих свойств аморфных льдов с компьютерным моделированием. Они использовали модель в несколько раз больше по количеству молекул в одной расчетной ячейке, чем модели, рассматриваемые ранее другими исследователями. Это позволило описать детали процесса нуклеации — образования и роста зародышей новой фазы при фазовом переходе. Сам факт появления зародышей может указывать на то, что рассмотренный переход является фазовым переходом первого рода.
«Данное исследование имеет в большей степени научное применение и позволяет нам изучить образование новых фаз при переходе воды в состояние аморфного льда. Экспериментально изучить процесс невозможно, так как кристаллизация переохлажденной воды происходит практически мгновенно. При построении компьютерной модели мы можем всесторонне изучать процесс перехода вблизи загадочной критической точки в этой труднодостижимой области, получившей название «no man’s land» (на рисунке обозначена желтым цветом). Дальнейшее исследование перехода воды в состояние аморфных льдов приближает нас к открытию новых способов сохранения клеток живых организмов путем охлаждения до низких температур», — пояснил ведущий научный сотрудник международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа ВШЭ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Владимир Стегайлов.
Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале.