Фазовый переход: российские учёные исследовали особое состояние воды — аморфный лёд

Российские учёные с помощью компьютерных моделей первыми смогли пронаблюдать процесс превращения одной фазы аморфного льда в другую. По словам авторов, работа поможет продвинуть исследования в сфере крионики — сохранения тканей путём глубокого охлаждения. В отличие от знакомого всем кристаллического льда, аморфный лёд имеет твёрдую структуру, но лишён кристаллической решётки. Такое состояние вода может принимать при особых условиях; как правило, такие формы встречаются в космосе. Кроме того, учёным удалось изучить воду, охлаждённую ниже температуры замерзания, но не превратившуюся в лёд.

• Аморфный лёд
• Gettyimages.ru
• © Scott Kroeker (Natural Light Magic)

Учёные из Московского физико-технического института (МФТИ) исследовали процесс перехода воды в особое состояние аморфного льда. Открытие параметров, при которых вода может принимать аморфную форму, способно помочь исследованиям в области крионики — речь идёт о сохранении путём замораживания тканей, жидкостей и зародышей различных организмов. Об этом RT сообщили в пресс-службе Минобрнауки. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Авторы работы напоминают, что вода может принимать множество различных состояний. Так, известно не менее 19 фаз кристаллического льда, а также две основные формы аморфного твёрдого льда, в которых молекулы не выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку. Аморфные состояния воды различаются плотностью — известен аморфный лёд высокой и низкой плотности. Последний практически не встречается на Земле, но распространён в космосе.

Ранее уже проводились лабораторные эксперименты по получению аморфного льда — тогда физикам удалось собрать данные о том, как модуль упругости (способность какого-либо твёрдого тела упруго деформироваться в условиях приложения к нему силы. — RT) воды меняется в зависимости от давления и температуры. Однако механизм перехода между двумя аморфными твёрдыми состояниями воды остаётся непонятным уже несколько десятилетий.

• Gettyimages.ru
• © Sunny

Коллектив учёных из МФТИ изучил фазовый переход между двумя состояниями аморфного твёрдого льда с помощью молекулярно-динамической модели, включающей от 3 до 78 тыс. молекул воды, и новейших технологий суперкомпьютерных вычислений.

Отмечается, что размер рассмотренных моделей существенно больше тех, которые использовались в подобных исследованиях прежде. Как правило, даже в самых последних работах численные модели ограничиваются несколькими тысячами атомов.

Как пояснили авторы исследования, фазовый переход происходит путём образования включений-зародышей, которые могут состоять, к примеру, из примерно 500 атомов. И если вся система насчитывает только несколько тысяч атомов, то смоделировать процесс роста зародышей новой фазы сложно. Это становится реальной задачей, только если наблюдение ведётся за десятками тысяч атомов.

«Знакомые для каждого фазовые переходы воды — это испарение, конденсация, плавление, кристаллизация. Это то, что мы знаем в быту. Мы же изучили переход от одной аморфной фазы к другой — такой переход возможен, хотя оба состояния схожи. Мы первые, кто с помощью моделей увидел, как зародыши атомов аморфного льда низкой и высокой плотности образуются, растут и переходят из одного состояния в другое», — пояснил в беседе с RT Владимир Стегайлов, заведующий отделом многомасштабного суперкомпьютерного моделирования ОИВТ РАН, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ и ведущий научный сотрудник международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа ВШЭ.

При построении модели специалисты также изучили, каким образом происходит переход от сильно охлаждённой воды к аморфному твёрдому льду. Своё внимание они уделили загадочной области, получившей название no man’s land (недоступная область). Именно в этой области расположена вторая критическая точка воды, в которой начинается предполагаемый переход между двумя фазами жидкой воды, тесно связанными с аморфными твёрдыми льдами низкой и высокой плотности. По словам учёных, эту область практически невозможно исследовать экспериментальными методами, так как кристаллизация переохлаждённой воды (охлаждённой до температуры ниже температуры кристаллизации. — RT) происходит практически мгновенно. Поэтому учёные не могут изучить свойства жидкой воды в таких условиях.

• Gettyimages.ru
• © dra_schwartz

«Вторая критическая точка воды находится как раз в той области, где экспериментаторы не могут изучать жидкую воду. А в моделях, когда мы описываем процесс перехода воды численным образом, решаем уравнения движения отдельных атомов, изучить этот процесс становится возможно», — отметил Владимир Стегайлов.

По словам учёных, дальнейшее исследование перехода воды в состояние аморфных льдов и изучение их плотности могут приблизить науку к открытию новых способов сохранения тканей с помощью глубокого охлаждения. Дело в том, что обычно при заморозке вода, находящаяся в клетках, превращается в кристаллический лёд, который повреждает клеточные структуры. Чтобы клетка могла ожить после заморозки, необходимо, чтобы вода в клетке не кристаллизовалась, а осталась в аморфной фазе.

Источник