Машинное обучение помогло рассчитать фазовую диаграмму жидкого водорода
Химики использовали машинное обучение, чтобы рассчитать термодинамические параметры перехода жидкого водорода из диэлектрического в металлическое состояние. Для обучения потенциалов, с помощью которых рассчитывали эти параметры, использовали результаты расчетов электронной плотности обычными методами квантовой химии. Исследование опубликовано в Nature.
В состав газовых гигантов и коричневых карликов входит жидкий водород, который при высоких давлениях и температурах приобретает свойства металлического проводника. Понимание перехода водорода из диэлектрика в металлическое состояние очень важно для моделирования структуры и эволюции гигантов вроде Юпитера, Сатурна и многих экзопланет. Согласно стандартным моделям таких планет, этот переход — резкий и сопровождается заметным изменением в плотности, поэтому граница между внутренней металлической мантией и внешней диэлектрической мантией должна быть достаточно четкой.
Технические сложности проведения экспериментов по изучению перехода в экстремальных условиях приводят исследователей к разным результатам, поэтому расчетные методы для изучения этого процесса особенно необходимы. Однако и они имеют свои ограничения из-за учета не всех эффектов. Чем больше учтено параметров системы, тем точнее расчеты, но выше их стоимость и продолжительность.
Бинцин Чена (Bingqing Cheng) с коллегами из Кембриджского университета рассчитали параметры фазовой диаграммы водорода с помощью методов машинного обучения. Они создали три набора потенциалов, обученных на результатах расчетов поверхностей потенциальных энергий и межатомных сил, полученных методами функционала электронной плотности и вариационном квази-Монте Карло. На основе рассчитанных энергий авторы создали молекулярно-динамические симуляции процесса перехода из диэлектрического в металлическое состояние в широком диапазоне температур и воссоздали плавление и полиморфизм твердой фазы.
Потенциал мог правильно определять основные состояния кристаллов в диапазоне давлений от 100 до 400 гигапаскалей. Точность предсказаний кристаллических структур демонстрирует возможности использования созданных потенциалов для поиска неизвестных кристаллических структур.
Симуляции процесса указали на то, что в жидком водороде переход из молекулярной формы в атомную происходит не скачком, а плавно. Это означает, что в газовых гигантах граница между диэлектрическим и металлическим слоями плавная, а различия в экспериментальных данных можно объяснить поведением водорода как сверхкритической жидкости.
Три года назад американские физики сообщили о том, что синтезировали металлический водород, однако исследование вызвало у некоторых ученых вопросы.
Алина Кротова
Дихлорметан используют для изготовления кофе без кофеина
Климатологи смоделировали влияние короткоживущих галогенсодержащих веществ на разрушение озонового слоя в тропиках. В результате выяснилось, что антропогенные и природные выбросы этих веществ ответственны за четверть от всего разрушенного за последние 20 лет тропического озонового слоя. И чтобы уменьшить скорость его разрушения, достаточно резко сократить антропогенные выбросы дихлорметана — пишут авторы статьи в Nature Climate Change. 40 лет назад ученые обнаружили над Антарктидой дыру в озоновом слое. Впоследствии оказалось, что возникла она из-за антропогенных выбросов галогенсодержащих органических веществ в атмосферу. В результате в 1985 году была согласована Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 году подготовлен к подписанию Монреальский протокол — дополнение к конвенции, в котором были перечислены конкретные вещества, чьи выбросы нужно было сократить. Большинство вошедших в список веществ были простыми фтор- и хлорсодержащими углеводородами. Эти вещества очень устойчивы — их время жизни в атмосфере исчисляется десятками и сотнями лет. И когда они достигают стратосферы, они выделяют свободные галогены, которые и разрушают озоновый слой. Но благодаря Монреальскому протоколу, озоновый слой удалось сохранить, и сейчас над Антарктидой он постепенно восстанавливается. Но концентрация озона в нижней стратосфере тропических широт все равно постепенно уменьшается. И до сих пор ученые связывали это с изменениями в циркуляции воздушных масс, возникшими из-за выбросов парниковых газов. Но климатологи под руководством Альфонсо Сайс-Лопеса (Alfonso Saiz-Lopez) из Института физической химии «Рокасолано» обнаружили, что эти изменения — не единственная причина уменьшения озонового слоя над тропиками. С помощью компьютерного моделирования с использованием CESM они обнаружили, что около четверти уменьшения концентрации озона вызвано короткоживущими галогенсодержащими веществами, некоторые из которых попадают в атмосферу из-за деятельности химических производств. Одно из этих веществ — дихлорметан — очень популярный органический растворитель. Его используют, например, для экстракции кофеина при изготовлении декофеинизированного кофе. Как показало моделирование изменений в тропической стратосфере, в ближайшие несколько лет антропогенные выбросы хлорсодержащих веществ будут играть все большую роль в разрушении озонового слоя. И к концу XXI века они будут ответственны за 30 процентов всей потерянной концентрации озона. Поэтому авторы статьи пришли к выводу, что деятельность человека, приводящую к выбросам короткоживущих органических веществ, нужно контролировать. И хотя озоновый слой над тропиками все равно продолжит уменьшаться из-за выбросов парниковых газов, меры по контролю позволят значительно замедлить этот процесс. Ранее мы рассказывали о том, что озоновый слой над Антарктидой может временно уменьшиться из-за недавнего извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. А подробно прочитать про историю Монреальского протокола можно в нашем материале «Дыра, которую мы залатаем».