Компьютеру впервые удалось смоделировать замерзание воды
За таким обычным делом, как превращение воды в лед, лежит столь сложный процесс, что для его компьютерного моделирования японским исследователям потребовалось целых шесть лет. Ивао Омине и его коллеги из университета Нагоя повторили прихотливый путь воды из жидкого состояния в твердое с помощью суперкомпьютера. Они рассчитали изменения в относительной ориентации молекул воды, исходя из сведений о силах, действующих между ними. Проведя такие расчеты для 512 молекул воды и потратив много времени на ожидание, ученые получили модель процесса. Они выяснили, что спонтанное появление нескольких необычно долгоживущих водородных связей между молекулами воды в одном месте является ключевым первым шагом в формировании льда. Это ядро медленно изменяет форму и размер пока в системе не распространятся более стабильные связи, превращая жидкость в лед.
Процесс отвердевания жидкости называется фазовым переходом. При высоких температурах термическая энергия заставляет отдельные молекулы и атомы двигаться. При снижении температуры, эта энергия уменьшается, поэтому молекулы и атомы движутся все меньше. В точке замерзания взаимодействие между молекулами и атомами оказывается больше, чем термальная энергия. Поэтому самым стабильным состоянием оказывается твердое, имеющее регулярную кристаллическую структуру. В простых жидкостях (расплавленные металлы или соли) этот переход происходит постепенно. В воде же молекулы претерпевают длительные перемещения, прежде чем образуется твердое вещество.
Проблема состоит в том, что молекулы воды склонны к кратковременным, зависящим от ориентации взаимодействиям со своими соседями. А значит вода в жидком состоянии может создавать множество различных микроскопических структур, разделяемых лишь небольшими энергетическими барьерами. Она может перемещаться между ними, не достигая конфигурации, вызывающей формирование твердого льда. Это поведение объясняет "сверхохлаждение" – склонность воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
RSS