Современные исследования в области физики наносистем раскрывают всё новые детали сложного поведения жидкостей внутри нанопор. Группа российских ученых из МФТИ, включая Илью Копаничука, а также молодых исследователей Степана Шистко и Алексея Семенчука, совместно работают над развитием инновационного алгоритма PANDA. Этот алгоритм предназначен для моделирования несмешивающихся жидкостей в нанощелях различной формы.
Важность геометрии: неожиданные формы на наноуровне
Продолжая поиск глубинных закономерностей, авторы открыли — геометрия наноячеек оказывает решающее влияние на стабильные формы поверхности раздела жидкостей. Там, где прежде встречалась только одна структура, с помощью PANDA удалось обнаружить шесть уникальных вариантов. Особенно ярко их многообразие проявилось в квадратных нанощелях. Почему так происходит? Всё объясняется симметрией: квадратные ячейки допускают больше стабильных конфигураций, в то время как прямоугольные «навязывают» одной-единственной геометрии, напоминающей рулон или цилиндр, устойчивого превосходства над остальными вариантами.
Экономия времени или упущенные открытия?
Илья Копаничук, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, поясняет: «Раньше многие исследователи выбирали вытянутые прямоугольные ячейки, чтобы ускорить вычислительный процесс. Однако такой подход ограничивал наблюдаемое разнообразие: подавляющее число расчетов приводило к той же самой — самой очевидной — форме поверхности капли. При использовании квадратных ячеек открывается гораздо больший спектр феноменов». Оценочно, вероятность проявления необычных конфигураций возрастает в разы, если не экономить на симметрии расчетной области.
Параметр сжатия — ключ к классификации
Новая теория, разработанная МФТИ, ввела дополнительный параметр — сжатие нанощели. Это позволило создать целый набор диаграмм устойчивости, которые были подтверждены методами численного моделирования, в том числе на примерах систем с кальцитом, н-деканом и водой. Результаты однозначны: чем больше асимметрия ячейки (например, если одна сторона в три раза длиннее другой), тем вероятнее образование формы капли в виде цилиндра, и тем менее вероятен выход на экзотические геометрии.
Степан Шистко, студент третьего курса Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, уверенно отмечает: «Мы предполагали, что цилиндрическая форма будет доминировать, но масштаб перевеса оказался особенно впечатляющим. При соотношении сторон свыше трех изменения крайне редки — вероятность перехода к иной геометрии снизилась до 10 процентов и ниже».
Улучшение симуляций и практические перспективы
Понимание связей между формой наноячейки и поведением жидкостей важно не только на теоретическом уровне. Чем точнее технология моделирования, тем более эффективными становятся промышленные решения: будь то повышение нефтеотдачи, проектирование новых лабораторий-на-чипе или усовершенствование фильтрационных систем. PANDA, по словам Алексея Семенчука, студента iPhD программы Физтех-школы им. Ландау, способен теперь уверенно работать и с прямоугольными основаниями пор. Это сокращает время расчетов краевых углов на порядок, что особенно востребовано в нефтегазовой отрасли, где модель PANDA уже применяется для оптимизации производственных процессов.
Дальнейшее развитие исследований и новые горизонты
Команда под руководством Ильи Копаничука не останавливается на достигнутом. Начальный этап — анализ форм поверхности на основе геометрии — постепенно завершился. Впереди новые задачи, связанные с моделированием динамических краевых углов и изучением изменчивости жидких систем в различных условиях. Это создает перспективы для еще более точного понимания поведения жидкостей и разработки инновационных технологий.
Таким образом, работа молодых исследователей МФТИ и их опытных коллег не только раскрывает сложные механизмы взаимодействия жидкостей в нанопорах, но и открывает путь для оптимизации промышленных процессов и создания новых лабораторных методик. Сочетание глубоких теоретических знаний и современных вычислительных инструментов, таких как PANDA, позволяет уверенно смотреть в будущее и ожидать дальнейших впечатляющих открытий в этой захватывающей научной области.
Источник: naked-science.ru
