Моделирование подтвердило сосуществование двух жидких фаз в переохлажденной воде

С помощью компьютерного моделирования физики подтвердили сосуществование двух жидких фаз разной плотности в сильно охлажденной воде. Для того чтобы свойства воды были максимально похожи на экспериментальные, ученые совместили в симуляциях квантовый подход и машинное обучение. Разработанный алгоритм можно применять для поиска и исследования других веществ, в которых одновременно существуют две жидкие фазы, пишут исследователи в Physical Review Letters.

Переохлажденная вода — жидкая вода, существующая при температуре ниже точки плавления, — предположительно имеет две жидкие фазы разной плотности, которые могут существовать одновременно. Это свойство подтверждают компьютерные симуляции, которые используют эмпирический подход, когда расстояния между атомами и положения их зарядов фиксированы. Однако такие методы не всегда достоверно предсказывают свойства жидкостей. В лаборатории переохлажденную воду создают путем быстрого охлаждения капель, но в эксперименте трудно точно определить температуру и давление, при которых сосуществуют две жидкие фазы, из-за его быстротечности. Если ученым удастся подтвердить разделение на две жидкие фазы, они потенциально смогут объяснить такие свойства, как увеличение изотермической сжимаемости и теплоемкости воды при охлаждении при атмосферном давлении.

Томас Гартнер (‪Thomas Gartner‬) из Технологического института Джорджии с коллегами предложил компромиссное решение для поиска двух фаз — они провели компьютерные симуляции, в которых структура и свойства воды максимально приближены к экспериментальным. Для этого физики использовали квантовый подход при моделировании воды. Они обнаружили сосуществование двух фаз воды при температурах ниже −31 градуса Цельсия, а также построили фазовую диаграмму сосуществования.

Квантовый подход теории функционала плотности отличается от эмпирических тем, что заряды электронов не фиксированы на атоме, а размазаны в пространстве вокруг ядер и могут смещаться. Более формально, электронная структура воды определяется из приближенных решений квантовых уравнений. Смоделированная таким образом вода воспроизводит экспериментальные свойства с высокой точностью. Однако квантовый подход требует большого количества вычислительных ресурсов. Поэтому ученые сначала использовали его для небольшого числа атомов и конфигураций, а на полученных результатах обучали нейросеть. В дальнейших расчетах для большего числа атомов при заданных температурах и давлениях нейросетевой метод имитировал результаты квантового. Чтобы повысить точность вычислений, ученые запускали долгие симуляции, некоторые из которых длились почти год.

Физики моделировали систему из 192 молекул воды. Половина системы находилась в состоянии с низкой плотностью, а вторая — с высокой при заданных давлении и температуре. При давлениях порядка 3200 атмосфер и температуре порядка −43 градуса Цельсия физики наблюдали сосуществование фаз. При больших давлениях вода переходила в фазу с большей плотностью. Затем физики провели дополнительные симуляции, с помощью которых построили фазовую кривую сосуществования и определили положение критической точки, когда оба состояния становятся неразличимы. Фазы сосуществовали в диапазоне от −48 до −31 градуса Цельсия и давлениях порядка от 2700 до 3000 атмосфер соответственно. При этом плотность одной фазы всего на полтора процента была выше нормальной плотности воды, а второй — более чем на 15 процентов.

Исследователи отметили, что модель может завышать критические значения температуры и давления, так как переоценивает прочность связи между кислородом и водородом. С другой стороны, они обратили внимание на физическую основу и надежность ее результатов. Несмотря на то, что модель обучали только на стабильных состояниях воды и льда, которые существуют в условиях близких к нормальным, она предсказала сосуществование двух фаз аномально переохлажденной воды. Можно предположить, что существует корреляция между этими состояниями воды. А значит, уникальные свойства воды в нормальных условиях, возникающие при охлаждении, такие как резкое увеличение изотермической сжимаемости и теплоемкости, можно было бы объяснить эффектами, возникающими в критической области. Но для подтверждения этой гипотезы нужно проводить дополнительные симуляции.

Ученые планируют увеличить точность метода для наблюдения фазовых переходов между жидкими состояниями в других веществах. Потенциально его можно использовать для поиска методов промышленного разделения компонент смесей или для изучения роли переходов жидкость-жидкость в физиологии клеток.

В столь аномальных условиях, которые моделировали физики, вода может встретиться только в космосе, где она также может существовать на твердых планетах с водород-гелиевыми атмосферами. О других уникальных свойствах воды читайте в материале «Пять стихий: вода», а еще проверьте свои знания мифов о ней в материале «Живая и неживая».