Фазовый переход — не мгновение, а битва: учёные впервые описали, как лёд и вода борются внутри

Учёные из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН совместно с исследователями из Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" (НИУ ВШЭ) разработали оригинальный подход, который позволяет буквально "заглянуть внутрь" момента фазового перехода — того самого состояния, когда вещество меняет форму существования, например, лёд превращается в воду или вода — в пар. Работа опубликована в Physical Review E и открывает путь к более точному пониманию природы материи и созданию новых материалов с уникальными свойствами.

Как изучить мгновение превращения

Фазовые переходы — фундаментальные процессы, при которых вещество изменяет своё состояние под действием температуры или давления. При этом температура остаётся постоянной до завершения перехода: лёд тает при 0 °C, а вода кипит при 100 °C. Именно в этой критической точке вещество существует сразу в двух состояниях — например, одновременно как лёд и как жидкость.

До сих пор физики могли лишь фиксировать сам факт перехода, но не имели инструмента для анализа того, какая часть системы находится в каждом из состояний и как они взаимодействуют. Новый подход, предложенный российскими учёными, впервые позволил рассмотреть внутренние процессы в точке перехода с высокой степенью детализации.

"Комбинация суперкомпьютерных технологий и методов машинного обучения позволила нам по-новому посмотреть на фазовый переход первого рода", — пояснил руководитель проекта Лев Щур, доктор физико-математических наук.

Суперкомпьютер и искусственный интеллект

Для моделирования физики перехода команда использовала суперкомпьютер cHARISMa НИУ ВШЭ. С его помощью удалось математически "заморозить" систему именно в тот момент, когда в ней одновременно существуют две фазы — твёрдая и жидкая. Такие вычисления были проведены тысячи раз, создавая обширную библиотеку "моментов превращения".

Затем был применён метод глубокого машинного обучения, способный распознавать не только чистые состояния воды и льда, но и их смесь в критической точке. Это стало ключевым достижением исследования: впервые алгоритм смог классифицировать промежуточные состояния вещества.

Таблица: ключевые этапы нового подхода

Что это значит для науки и технологий

Знание того, как именно ведёт себя вещество в момент перехода, имеет огромное значение не только для фундаментальной физики, но и для прикладных областей. Эти данные могут помочь:

1. Создавать новые сплавы и полимеры с контролируемыми свойствами.

2. Разрабатывать материалы с памятью формы, где переход между фазами управляет изменением структуры.

3. Оптимизировать технологии охлаждения и нагрева, где важно точно понимать динамику перехода вещества.

"Существует гипотеза, что вероятность образования в смешанном состоянии кластера, достигающего макроскопических размеров, конечна. По-видимому, наш метод позволит придать этой гипотезе более чёткую формулировку с оценкой такой вероятности", — отметил Лев Щур.

Взгляд в будущее

Следующим шагом команда планирует детализировать геометрические фазовые переходы — то есть проследить, как именно формируются и разрушаются структуры на атомном уровне в момент превращения. Это поможет не только подтвердить гипотезы о природе фазовых переходов первого рода, но и приблизить создание материалов нового поколения — "умных" металлов, адаптивных полимеров и функциональных наноструктур.

Таблица: примеры фазовых переходов и их критические параметры

Мифы и правда

• Миф: фазовый переход — мгновенный процесс.
  Правда: это сложная динамическая система, где обе фазы сосуществуют и взаимодействуют.

• Миф: невозможно наблюдать внутренние процессы в критической точке.
  Правда: с помощью суперкомпьютерных расчётов и ИИ это теперь реально.

• Миф: теория фазовых переходов полностью изучена.
  Правда: даже сегодня физики открывают новые закономерности на микроскопическом уровне.

Разработанный российскими физиками подход стал важным шагом к пониманию того, как именно материя меняет своё состояние. Теперь, когда можно количественно описать переход из одной фазы в другую, открываются возможности для создания материалов с управляемыми свойствами, от сверхпрочных сплавов до "умных" наноструктур, реагирующих на температуру.