От жидкости к стеклу: секреты стеклования в экстремальных условиях

Физики из МФТИ, НИУ ВШЭ и ОИВТ РАН показали, что жидкость может переходить в стеклообразное состояние не только при охлаждении, но и под действием высокого давления. Работа помогает понять фундаментальные механизмы стеклования и открывает новые возможности для моделирования поведения материалов в экстремальных условиях. Результаты опубликованы в Journal of Molecular Liquids.

Стеклование — это превращение жидкости в аморфное твердое состояние. Большинство исследований сосредоточено на снижении температуры, однако повышение давления может привести к аналогичному эффекту. В своей работе ученые изучили этот путь на примере углеводородной жидкости 1-метилнафталина.

«Мы хотели понять, как жидкости превращаются в стекло при сильном сжатии. Теория температурного стеклования хорошо изучена, а с давлением всё сложнее. В реальной технике — дизельных двигателях, редукторах, подшипниках — давление может достигать тысяч атмосфер, и стеклование там реально влияет на свойства материалов», — объясняет Николай Кондратюк, директор Центра вычислительной физики МФТИ.

Исследователи применили молекулярно-динамические расчеты для 512 молекул, постепенно увеличивая давление при постоянной температуре. Они анализировали вязкость, диффузию, релаксационные времена и энтропию жидкости. Результаты показали динамический переход: вязкость возрастала сверхэкспоненциально, а движение молекул разделялось на поступательное и вращательное, демонстрируя признаки приближения к стеклообразному состоянию. Порог давления, при котором жидкость ведет себя как переохлажденная, составил около 3500 атмосфер.

«Главная сложность — точность расчетов. Даже малейшая неточность при высоком давлении приводит к большим ошибкам. Мы тщательно проверяли модель, сравнивая с экспериментами при низких давлениях», — отмечает Борис Никитюк, младший научный сотрудник МФТИ.

Ученые выявили универсальный структурный параметр — парную энтропию, который можно использовать для предсказания перехода жидкости в стеклообразное состояние. Такой подход применим к различным жидкостям: смазкам, полимерам, растворителям.

Практическое значение работы в том, что она позволяет заранее определять условия, при которых жидкость теряет текучесть и резко увеличивает вязкость. Это важно для проектирования смазочных материалов в высоконагруженных механизмах — шестернях, подшипниках и редукторах.

«В будущем мы планируем расширить список изучаемых веществ и детально анализировать динамическую структуру жидкости рядом с переходом. Это поможет создать более полную теоретическую картину стеклования под давлением и даст практические рекомендации химикам и инженерам», — добавляет Василий Писарев, доцент МФТИ и ведущий научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерного моделирования НИУ ВШЭ.

Источник: Давление вместо замораживания: физики из МФТИ исследовали альтернативный способ стеклования жидкости — За науку