Российские физики разработали новый метод наблюдения за фазовыми переходами

Физики из МГТУ им. Н.Э. Баумана создали алгоритм, позволяющий распознавать конденсированные кластеры (сгустки частиц), например, капли конденсата в газе или кристаллы в пересоленном растворе. На основе алгоритма был разработан новый метод, который значительно упростит наблюдение за процессами смены агрегатного состояния веществ. Работа опубликована в Journal of Physical Chemistry C. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Авторы работы предложили алгоритм, который может определять термодинамическую фазу двумерной (расположенной в плоскости) системы на основе расположения ее частиц. Это могут быть координаты молекул, рассчитанные с помощью моделирования методом молекулярной динамики, или координаты коллоидных частиц, найденные по микрофотографии.

«Для того чтобы анализировать, какие законы управляют поведением частиц в конденсате, то есть жидкостях или кристаллах, или газах, или на границе раздела между ними, нужно для начала научиться различать частицы, которые относятся к разным агрегатным состояниям», — пояснил руководитель работы, ведущий научный сотрудник МГТУ им. Н.Э. Баумана Станислав Юрченко.

Глядя на снимок системы частиц, человек четко видит их сгустки и легко различает конденсированные кластеры (группы частиц), газ и границу раздела между ними. Однако для автоматического распознавания при помощи компьютерной обработки эта задача не так проста. Разные научные группы в мире сталкиваются с проблемой необходимости распознавания кластеров, однако известные сегодня алгоритмы остаются достаточно сложными, требуют детальной настройки с участием ученых и не обладают нужной универсальностью. Для использования метода, разработанного российскими физиками, достаточно снимков системы, по которым можно определить, например, какие частицы относятся к конденсату, а какие — к газовой фазе.

Алгоритм начинает работу с того, что получает набор координат частиц, анализирует их расположение и чертит вокруг каждой из частиц вещества ячейки Вороного. Это области, каждая точка которых ближе к находящейся в них частице, чем к любой другой. После этого программа анализирует геометрию этих ячеек: если они имеют правильную форму и расположены упорядоченно, то, скорее всего, это частицы в конденсате (жидкость или твердое тело). Напротив, если ячейки имеют неправильную, сильно вытянутую форму, то, вероятно, это газообразное вещество или поверхностные частицы (находящиеся на границе газа и конденсата). Поверхностные частицы можно легко отфильтровать, учитывая в последующем анализе лишь газ и конденсат.

Алгоритм может применяться для фундаментальных исследований спинодального распада — явления быстрого перехода вещества в другую термодинамическую фазу по всему объему, при котором в объеме вещества одновременно находятся области в разных термодинамических фазах. Именно так, например, в газообразной среде образуются капли жидкости, в соленых растворах возникают кристаллы, а в сплавах — области с разнородным химическим составом.

Метод можно использовать и в работе на установке для наблюдения за самоорганизацией частиц, которая была создана этой же группой ученых под руководством Станислава Юрченко в рамках гранта. Прибор позволяет исследовать поведение микроскопических коллоидных частиц, которые демонстрируют самосборку и фазовые переходы аналогично тому, как это происходит в природных атомных и молекулярных системах. Предложенный метод открывает новые перспективы детального исследования спинодального распада – явления, играющего ключевую роль в динамике фазовых переходов в природе.