Моделирование объясняет фазовый переход жидкость-жидкость в переохлажденной воде

251

Новые данные представляют собой значительный шаг вперед в подтверждении идеи фазового перехода жидкость-жидкость, впервые предложенной в 1992 году.

«В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на идеях сетевой запутанности», — сказал профессор Франческо Шортино, исследователь из Университета Сапиенца в Риме.

«Я уверен, что эта работа вдохновит на новое теоретическое моделирование, основанное на топологических концепциях».

В исследовании профессор Шортино и его коллеги использовали компьютерное моделирование, чтобы объяснить, какие особенности отличают две жидкости на микроскопическом уровне.

Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости с высокой плотностью образуют структуры, которые считаются топологически сложными, такие как узел-трилистник или связь Хопфа. Таким образом, говорят, что молекулы в жидкости с высокой плотностью запутаны.

Напротив, молекулы в жидкости с низкой плотностью в основном образуют простые кольца, и, следовательно, молекулы в жидкости с низкой плотностью не запутаны.

«Это понимание дало нам совершенно свежий взгляд на то, что сейчас является исследовательской проблемой 30-летней давности, и мы надеемся, что это будет только началом», — говорят ученые.

Характеристика фазового перехода жидкость-жидкость
Характеристика фазового перехода жидкость-жидкость в коллоидной (вверху) и молекулярной воде (внизу) путем выявления связей и узлов. LDL – жидкость низкой плотности; HDL – жидкость высокой плотности. Изображение предоставлено: Neophytou et al ., doi: 10.1038/s41567-022-01698-6.

Исследователи использовали в своем моделировании коллоидную модель воды, а затем две широко используемые молекулярные модели воды.

Коллоиды — это частицы, которые могут быть в тысячу раз больше, чем одна молекула воды.

Благодаря своему относительно большему размеру и, следовательно, более медленному движению, коллоиды используются для наблюдения и понимания физических явлений, которые также происходят на гораздо меньших атомных и молекулярных масштабах.

Фазовый переход первого рода между двумя тетраэдрическими сетками разной плотности, введенный в качестве гипотезы для объяснения аномального поведения некоторых термодинамических свойств глубоко переохлажденной воды, в последние годы получил сильную поддержку в результате растущего числа работ. Здесь мы показываем, что этот фазовый переход жидкость-жидкость в тетраэдрических сетях может быть описан как переход между незапутанной жидкостью с низкой плотностью и запутанной жидкостью с высокой плотностью, последняя содержит ансамбль топологически сложных мотивов. Впервые мы обнаруживаем это различие в рационально сконструированном коллоидном аналоге воды. Мы показываем, что эта модель коллоидной воды отображает хорошо известные термодинамические аномалии воды, а также критическую точку жидкость-жидкость.

«Эта коллоидная модель воды представляет собой увеличительное стекло для молекулярной воды и позволяет нам разгадать секреты воды, связанные с рассказом о двух жидкостях», — говорят ученые.

Авторы ожидают, что их модель проложит путь к новым экспериментам, которые подтвердят теорию и распространят концепцию «запутанных» жидкостей на другие жидкости, такие как кремний.

«Вода одна за другой раскрывает свои тайны, — сказал профессор Шортино. «Представьте, как было бы прекрасно, если бы мы могли заглянуть внутрь жидкости и наблюдать за танцем молекул воды, за тем, как они мерцают, и за тем, как они обмениваются партнерами, реструктурируя сеть водородных связей».

«Реализация предлагаемой нами коллоидной модели воды может воплотить эту мечту в жизнь».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии