Их исследование, опубликованное в журнале Science, показывает необходимость переосмыслить один из строительных блоков науки и, вместе с тем, то, как некоторые из основных принципов, лежащих в основе поведения материи, преподаются в наших классах. Исследователи изучили, каким образом фазовый переход, в частности плавление твердого тела, происходит на микроскопическом уровне, и обнаружили, что этот переход гораздо сложнее, чем предполагалось в более ранних моделях.«Это исследование показывает, что фазовые изменения могут происходить разными путями, что противоречит тому, что мы знали ранее», — объясняет Марк Такерман, профессор химии и прикладной математики в Нью-Йоркском университете и один из соавторов исследования. «Это означает, что простые теории о фазовых переходах, которым мы учим на уроках, просто неверны».
По словам Такермана, ученым нужно будет изменить то, как они думают и учат о фазовых изменениях.«Эта работа является результатом 10-летнего проекта в Принстоне по разработке математической основы и компьютерных алгоритмов для изучения сложного поведения систем», — пояснил старший автор Вейнан Э., профессор Принстонского факультета математики и программ прикладной и вычислительной математики.
По словам Э., фазовые изменения оказались решающим тестом для их алгоритма. Э и Такерман работали с Амитом Самантой, докторантом из Принстона, ныне работающим в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, и Тан-Цин Ю, докторантом Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета.
«Это был тестовый пример для довольно мощного набора инструментов, который мы разработали для изучения сложных вопросов о сложных явлениях, таких как фазовые переходы», — сказал Э. «Плавление относительно простого атомарного твердого вещества, такого как металл, оказалось чрезвычайно богатым. С пониманием, которое мы получили из этого случая, мы теперь стремимся исследовать более сложные молекулярные твердые тела, такие как лед».Полученные данные показывают, что фазовый переход может происходить множественными и конкурирующими путями, и что переходы включают, по крайней мере, два этапа.
Исследование показывает, что на одном из этих путей первым шагом в переходном процессе является образование точечных дефектов — локальных дефектов, которые возникают в одном узле решетки в кристаллическом твердом теле или вокруг него. Эти дефекты оказываются очень мобильными.
На втором этапе точечные дефекты беспорядочно перемещаются и иногда встречаются, образуя большие неупорядоченные кластеры дефектов.Этот механизм предсказывает, что «неупорядоченный кластер растет снаружи внутрь, а не изнутри наружу, как предполагают современные объяснения», — отмечает Такерман. «Со временем эти кластеры растут и в конечном итоге становятся достаточно большими, чтобы вызвать переход из твердого состояния в жидкое».
По альтернативному пути дефекты превращаются в тонкие линии беспорядка (так называемые «дислокации»), которые проходят через всю систему. Затем небольшие жидкие области объединяются вдоль этих дислокаций, эти области расширяются от области дислокации, поглощая все больше и больше твердого тела, пока вся система не станет жидкой.В этом исследовании этот процесс моделировался путем отслеживания металлов меди и алюминия от атомарного твердого состояния до атомарного жидкого состояния. Исследователи использовали передовые компьютерные модели и алгоритмы, чтобы пересмотреть процесс фазовых изменений на микроскопическом уровне.
«Фазовые переходы всегда были чем-то вроде загадки, потому что они представляют собой такие драматические изменения в состоянии материи», — замечает Такерман. «Когда система переходит из твердой в жидкую, свойства существенно меняются».Он добавляет, что это исследование показывает удивительную неполноту предыдущих моделей зародышеобразования и фазовых изменений и помогает заполнить существующие пробелы в фундаментальных научных представлениях.
Эта работа проводится при поддержке Управления военно-морских исследований (N00014-13-1-0338), Управления армейских исследований (W911NF- 11-1-0101), Министерства энергетики (DE-SC0009248, DE-AC52-07NA27344), и Национальный научный фонд Китая (CHE-1301314).