Ученые МФТИ приблизились к разрешению главной проблемы крионики

Несмотря на огромное количество исследований, вода продолжает оставаться одним из самых загадочных веществ в природе. В лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ решили приоткрыть еще одну ее тайну и провели молекулярно-динамический анализ воды в состоянии аморфного льда. Он практически не встречается на Земле, но является наиболее распространенной формой H2O во Вселенной (входит в состав межзвездной пыли и ядер комет). Результаты исследования опубликованы в научном журнале Scientific Reports.

Рис. 1. Диаграмма «температура — давление» аморфной и жидкой воды. 

Линия разделения между жидкостью низкой плотности и жидкостью высокой плотности заканчивается в критической точке «жидкость — жидкость» (LLCP). Эта точка расположена в области, называемой «ничейной землей», отмеченной желтым цветом, где экспериментально наблюдаются только кристаллические формы льда. Линии перехода, основанные на эксперименте, обозначены черными пунктирными линиями.

Вода играет центральную роль во многих физических, биологических и промышленных применениях 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 и распространен в космосе.

Исследования аморфного льда 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.

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 существовании 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 Анастасия Шуплецова, магистрант МФТИ, инженер лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

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 — образование и рост 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 Владимир Стегайлов, ведущий научный сотрудник международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа ВШЭ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.