Фазовый переход: российские ученые исследовали особое состояние воды — аморфный лед

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.

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.

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.

«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.