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. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

«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 имени 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 — «зазоре» 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 имени Н. Э. Баумана при участии коллег из Лондонского университета королевы Марии и Института физики высоких давлений имени 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 изменяется 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 отмечают, 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 имени Л. Ф. Верещагина РАН.