Неожиданные результаты перемешивания жидкости

Российские ученые провели теоретические исследования диффузии (перемешивания) в жидкости, находящейся в равновесии со своим насыщенным паром, на примере разных смоделированных веществ. Науке давно известно, что, если нагревать систему, скорость перемешивания частиц в ней возрастает. Но то, как именно это происходит, зависит от конкретного вещества и внешних условий (например, давления). В результате исследования ученые обнаружили универсальную для широкого класса веществ закономерность. Это приблизило их к разработке общей теории жидкостей.

Проникновение частиц одного вещества между частицами другого называется диффузией. Благодаря этому явлению мы, например, можем из комнаты почувствовать приятный запах кофе, который варят на кухне, потому что молекулы напитка быстро распространяются, смешиваясь с молекулами воздуха. Частный случай этого процесса — самодиффузия — происходит, когда смешиваются частицы одного вещества. В настоящий момент ученые хорошо понимают, как происходят различные процессы в твердых телах (кристаллах) и газах, а вот понимание процессов в жидкостях, в том числе диффузии, остается довольно ограниченным и фрагментарным. Однако в последние годы исследователям удается добиваться больших успехов в области исследования жидкостей с помощью методов моделирования молекулярной динамики.

Нелинейный рост диффузии

Российские физики из Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана провели теоретические исследования поведения частиц жидкости, находящейся в равновесии со своим насыщенным паром. Это означает, что количество частиц, испаряющихся с поверхности жидкости и попадающих в нее из газа, примерно совпадает. Свои расчеты ученые провели на основе обобщенного потенциала Леннарда—Джонса, математической модели, которая достаточно точно описывает благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон), а также любые жидкости в состоянии, близком к критической точке, где плотность жидкости и ее насыщенного пара равны. Кроме того, чтобы сделать свои результаты и выводы более общими, физики рассмотрели также модель этана.

В своей работе основной акцент ученые делали на измерении коэффициента диффузии. Этот показатель — мера скорости перемещения частиц и их проникновения в пространство друг друга. Скорость диффузии зависит от температуры: чем она выше, тем больше скорость движения частиц изучаемой жидкости. Исследователи выяснили, что коэффициент диффузии в жидкости, которая находится в равновесии со своим паром, в достаточно большом диапазоне температур линейно зависит от температуры. Однако существует некоторая температура, после достижения которой линейный участок сменяется на нелинейный: скорость роста диффузии существенно возрастает. Ученым удалось обнаружить простую универсальную закономерность (формулу), которая позволила точно описать данное поведение для всех рассмотренных жидкостей.

Ученые также более подробно изучили связь коэффициента диффузии со спектрами возбуждения. Движение частиц в жидкости (или в любой другой системе) можно представить как большое число звуковых волн, наложенных друг на друга. Для каждой жидкости существует свой уникальный набор этих «волн», который и называют спектром возбуждения. Это что-то вроде отпечатка пальца для человека. Однако исследователи обнаружили, что этот «отпечаток» изменяется, когда равномерный рост скорости диффузии при повышении температуры начинает ускоряться. Несмотря на то что сама жидкость остается прежней, ее спектры начинают больше напоминать спектры газовой системы, где диффузия сильна, чем спектры кристалла, где диффузионные процессы слабее.

Иллюстрация конденсированной системы (жидкости или кристалла), находящейся в равновесии со своим насыщенным паром. График a — это «холодная» система, когда пар практически полностью отсутствует, а частицы располагаются в узлах кристаллической решетки. График b — это достаточно «горячая» жидкость, окруженная равновесным паром, профиль плотности которой изображен на рисунке c

Dmitryuk et al. / Sci. Rep., 2023

Простая и точная модель

«На сегодняшний момент хорошо развиты теории газов и твердых тел (кристаллов), а вот единой теории жидкости нет. Наши исследования — это еще один шаг в сторону разработки такой теории, которая позволит нам лучше понимать физические свойства жидкостей, а следовательно, даст возможность прогнозировать их и управлять ими. Одним из подходов к теории может быть исследование связей спектров возбуждения жидкостей с ее различными свойствами. Мы считаем, что представленные результаты откроют новые перспективы для дальнейших исследований в данном направлении для широкого спектра жидкостей — от простых атомарных и молекулярных до “жидкостей”, образованных активными или живыми (клеточными или бактериальными) частицами», — рассказывает руководитель одного из проектов, поддержанных РНФ, Никита Крючков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника», доцент кафедры физики и кафедры биомедицинских технических систем МГТУ имени Н. Э. Баумана.

При всей очевидно большой фундаментальной значимости работы российских физиков эти исследования могут быть полезны и на практике. Жидкости и газы окружают нас повсюду. Они играют важную роль в живой природе и в различных технических системах. Сегодня очень важно уметь моделировать такие системы, так как это позволяет прогнозировать природные явления, например погоду, или оптимизировать работу различных технических систем с целью повышениях их эффективности — например, эффективность синтеза полезных веществ в различных био- или химических реакторах. Такие расчеты могут требовать очень больших вычислительных мощностей, но они могут быть значительно уменьшены, если моделирование каких-то процессов можно заменить простыми, но достаточно точными моделями, одна из которых как раз и получена российскими учеными.

Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

По материалам пресс-службы Российского научного фонда