Геометрия как решающий фактор: ученые нашли объяснение поведению жидкостей в нанопорах

Это исследование — продолжение работ по разработке алгоритма PANDA, который моделирует поведение несмешивающихся жидкостей в квадратных нанощелях. С его помощью авторы обнаружили шесть форм поверхностей раздела жидкостей, тогда как в научных работах описывалась только одна. Оказалось, что геометрия ячейки критически важна для определения стабильной формы поверхности. В результате нового исследования ученые выяснили, почему в квадратных нанощелях можно получить поверхности разных форм, а в прямоугольных преобладает форма рулона. Работа опубликована в журнале Molecular Simulation. 

«Мы разгадали эту загадку. Дело в том, что исследователи берут сильно прямоугольную ячейку для экономии расчетного времени. Это с вероятностью более 90% делает невозможным появление экзотических форм капель, сводя все расчеты к одной-единственной форме рулона или цилиндра»,— пояснил Илья Копаничук, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.

Физики обобщили классификацию форм поверхности на прямоугольные щели, введя параметр сжатия. Они построили диаграммы стабильности и подтвердили результаты в численном эксперименте в молекулярно-динамической симуляции на примере системы кальцит/н-декан/вода.

Исследование показало, что при увеличении асимметрии щели (например, одна сторона в два раза больше другой) проявление формы рулона или цилиндра превышает 50% от других конфигурации. Это практически в два раза больше, чем в случае симметричной квадратной ячейки. Проверка предложенной теории на примере системы кальцит/н-декан/вода полностью подтвердила эти предсказания.

«Преобладание цилиндрической формы было предсказуемо, но мы не ожидали, что настолько. В реальных расчетах с прямоугольными ячейками, где отношение сторон более 3, шанс найти другую форму менее 10%», — отметил Степан Шистко, студент третьего курса Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, участник менторской программы МФТИ.

Результаты исследования объясняют природу поведения жидкостей на наноуровне, показывая критическое влияние геометрии ячейки на форму поверхности. Результаты работы совершенствуют моделирование в различных масштабах — от атомистического к макромасштабу. Это увеличит точность симуляции поведения жидкостей в нанопорах, что позволит улучшить методы повышения нефтеотдачи, проектрировку потоков в порах для разработок эффективных лабораторий-на-чипе и фильтрации загрязнений.

«Мы доказали, что наш алгоритм PANDA будет работать и с ячейками с прямоугольным основанием. Это позволит на порядок ускорить расчеты краевых углов. Мы используем результаты работ по этому циклу для совершенствования своего алгоритма PANDA — он активно применяется в проектах нефтегазовой промышленности», — рассказал Алексей Семенчук, учащийся программы iPhD Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.  

«Жизненный цикл начальной идеи 2020 года про геометрический подход к исследованиям формы поверхности раздела жидкостей в щелях в приближении сплошной среды уже подходит к концу. Следующая наша работа про динамические краевые углы закроет тему окончательно. Планируем двигаться дальше!» — добавил Илья Копаничук.