Новый подход поможет объяснить эффекты, которые прежде считались аномальными

Российские ученые совместно с коллегами из Великобритании нашли зависимость между теплоемкостью жидкости и параметрами динамики ее молекул. Оказалось, что отсутствие отдельных колебаний групп молекул позволяет точно предсказать свойства жидкости, а также объяснить эффекты, которые раньше считались аномальными. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

«Мы предложили новую методологию: смотреть сразу на несколько свойств жидкости, а не на каждое по отдельности. Это свежий взгляд на то, как еще можно анализировать данные по термодинамическим свойствам жидкостей и особенностям их коллективной динамики, а именно по спектрам возбуждений»,— рассказывает руководитель работы Станислав Юрченко, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана.

Молекулы в жидкости движутся особым способом. С одной стороны, группы молекул могут колебаться около какого-то устойчивого положения, как и в твердом теле. При этом появляются внутренние волны, или возмущения, каждая из которых имеет свою частоту колебаний и скорость затухания. Все вместе они могут быть описаны при помощи спектра возбуждений. С другой стороны, отдельные молекулы могут «сбегать» из колеблющихся групп в другие. Благодаря таким скачкам жидкость может течь, и чем их больше, тем легче она течет. При повышении температуры молекулы перескакивают в другое положение гораздо быстрее, что даже может нарушить групповое движение. При этом внутренние волны в жидкости «размываются». Особенно сильно это влияет на длинноволновые колебания низкой частоты: некоторые из них могут совсем пропадать. Сколько таких колебаний пропало, можно оценить по так называемой q-щели — «зазору» в спектре возбуждений жидкости.

В кристалле все молекулы находятся на четко определенных позициях и могут лишь немного отклоняться от этих положений. Совсем по-другому молекулы ведут себя в газе, где они почти не взаимодействуют друг с другом. Такие особенности упрощают описание свойств твердых материалов и газов: для них уже существуют надежные теории. Тем не менее для жидкостей нет теорий, которые позволили бы точно предсказать термодинамические свойства. Например, теплоемкость — важную характеристику, которая указывает на энергию, требующуюся для нагревания определенного количества жидкости на 1°C,— обычно измеряют только экспериментально.

В своей работе ученые из МГТУ им. Н. Э. Баумана при участии коллег из Лондонского университета королевы Марии и Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (Москва) изучили, как теплоемкость жидкости связана с коллективной динамикой частиц в ней. Для этого они использовали метод молекулярной динамики, то есть моделировали на компьютере движение молекул в различных жидкостях: сжиженных благородных газах, ртути и расплавленном железе.

При увеличении температуры от плавления до сильно перегретого флюида ученые наблюдали, как изменяются теплоемкость и спектр возбуждений жидкости. Оказалось, что теплоемкость уменьшается с ростом величины q-щели. Это падение можно описать двумя прямыми с разными наклонами, а точка пересечения между ними указывает на изменение спектров колебаний в жидкости, с осциллирующих, как в кристаллах, на монотонно растущие, как в газах.

«Нам удалось найти то, о чем мы и не догадывались. До нас никто не пробовал посмотреть на теплоемкость как функцию q-щели, несмотря на множество исследований в этой области. Перед этой работой мы детально анализировали методы, подходящие для такого анализа. Так часто бывает: вы разрабатываете какой-то новый метод и тут же можете найти более тонкие эффекты, о которых раньше не знали»,— комментирует Станислав Юрченко.

Авторы считают, что предложенный подход может помочь объяснить эффекты, которые раньше считались аномальными, и связать их с изменениями коллективной динамики в жидкостях. Например, станет понятно, почему жидкие металлы в некоторых случаях проявляют свойства твердых тел, какую роль коллективные возбуждения играют в процессах затвердевания и медленных процессах в стеклах, а также как в разных жидкостях термодинамические свойства связаны со спектрами возбуждений.

«Еще несколько десятилетий назад жидкости представлялись ученым не только “не поддающимися” теории, но и довольно скучными объектами. Однако за последнее время при исследовании жидкостей было открыто много интересных явлений. Обнаруженный нами яркий эффект резкого изменения спектров возбуждений — это еще один кирпичик в будущее здание физики мягкой материи»,— отмечает соавтор работы Вадим Бражкин, доктор физико-математических наук, академик РАН, директор Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН.

Использованы материалы статьи Universal Effect of Excitation Dispersion on the Heat Capacity and Gapped States in Fluids; Nikita P. Kryuchkov, Lukiya A. Mistryukova, Andrei V. Sapelkin, Vadim V. Brazhkin, Stanislav O. Yurchenko; журнал Physical Review Letters, сентябрь 2020 г