Тепловые флуктуации поверхности жидкого кластера и наноструктура границы пар–жидкость Д.И. Жуховицкий

Граница пар жидкость: плавный переход или слоистая структура? плавный переход или слоистая структура? (Ван-дер-Ваальс) (Гиббс) Газ Жидкость Газ Жидкость Промежуточная фаза

Методы исследования: 1. аналитические; 1. аналитические; 2. экспериментальные (отражение 2. экспериментальные (отражение рентгеновского излучения и нейтронов); рентгеновского излучения и нейтронов); 3. численный эксперимент (молекулярная 3. численный эксперимент (молекулярная динамика + Монте-Карло). динамика + Монте-Карло). Что нам известно о наноструктуре межфазной границы?

Частицы делятся на три типа: внутренние, поверхностные и виртуальные цепи.

Поперечные сечения кластеров, содержащих 1592 (1) и 2320 (2) частиц. Темные кружки внутренние частицы, заштрихованные поверхностные, светлые виртуальные цепи. Поверхностные частицы формируют монослой, сильно искривленный тепловыми флуктуациями. Для внутренних частиц число связей не менее 10, а частицы, имеющие не более четырех связей, образуют виртуальные цепи.

Виртуальные цепи – типичные представители soft matter. Отдельно от межфазной границы они существуют в виде малых кластеров, статсумма которых вычисляется аналитически: откуда следует, например, уравнение состояния плотного кластерного пара:

При усреднении конфигураций границы пар жидкость получаются плавные зависимости характеристик вещества в переходной области:

Согласно теории флуктуаций, изменение свободной энергии Гиббса поверхности кластера где С помощью теоремы о равнораспределении получим Теория капиллярных флуктуаций Образование виртуальных цепей ограничивает локальную кривизну поверхности флуктуаций: bare surface tension. Это позволяет записать соотношение и найти максимальное значение

1. Случай = 0. Дисперсия флуктуаций, пропорциональная толщине межфазной границы, достигается при l max = 1/2. Если l max >> 1, то устраняется расходимость толщины межфазной границы при R : неограниченно возрастает с ростом площади поверхности. Максимальное значение спектральной амплитуды сравнивается с амплитудой объемных флуктуаций, связанных с дискретностью координат поверхностных частиц, если 2. Случай > 0 (псевдо гравитация). Максимальное значение спектральной амплитуды

Если >> c, капиллярные флуктуации исчезают, а при << c влиянием поля на поверхностное натяжение можно пренебречь. Таким образом, критерий сильного поля записывается в виде 3. Случай < 0 (кулоновская система). Максимальное значение max = 10 соответствует сингулярности Кластер теряет стабильность и распадается. Классический порог распада [Bohr, Wheeler (1939), Френкель (1939)]

Потенциал межчастичного взаимодействия где Для того, чтобы при численном моделировании системы с двумя масштабами времени сохранялся момент импульса, дальнодействующие компоненты сил межчастичного взаимодействия вращались так, чтобы удовлетворить соотношению Численное моделирование

Вычислительная ячейка: кластер в окружении равновесного пара

Выделим поверхностные частицы, расположенные между двумя параллельными плоскостями. Полярные координаты частиц это значения непрерывной функции Спектральные амплитуды сечений определялись усреднением как по конфигурациям кластера, так и по углам Эйлера при вращении каждой конфигурации:

Спектральные амплитуды капиллярных флуктуаций кластеров, содержащих частиц: теория, численное моделирование. Для сравнения показаны спектральные амплитуды объемных флуктуаций

Спектральные амплитуды капиллярных флуктуаций кластеров, содержащих частиц: теория, численное моделирование. Для сравнения показаны спектральные амплитуды объемных флуктуаций

Спектральные амплитуды капиллярных флуктуаций кластеров, содержащих частиц: теория, численное моделирование. Для сравнения показаны спектральные амплитуды объемных флуктуаций

Параметры деформации кластеров, содержащих частиц, = (c/a) 2/3 – 1, при T = 0.75

Скорости нуклеации в пересыщенных парах ртути и воды. Пунктир – классическая теория нуклеации

Разработанная ранее модель сильно искривленной межфазной поверхности применена для описания автолокализационных состояний позитрония в жидкостях. Впервые без введения «подгоночных» параметров удалось воспроизвести экспериментальные данные как по времени жизни позитрония в микрополости, так и по ее радиусу. Радиусы позитрониевых микро полостей (теория и эксперимент) Работа образования позитрониевой микрополости в зависимости от числа удаленных молекул Позитрониевые пузырьки в жидкости сплошная жидкость поверхностный монослой позитроний

На межфазной границе присутствует soft matter. Без рассмотрения этого состояния вещества невозможно составить правильного представления о структуре и свойствах поверхности, а также о кинетике фазового перехода пар– жидкость.

Спасибо за внимание! Подробности на сайте