Мы редко задумываемся о том, как текут жидкости — почему мёд густой, вода тонкая или как расплавленный пластик движется через машины. Но для учёных и инженеров понимание и прогнозирование вязкости материалов, особенно полимеров, имеет большое значение.
Вязкость определяет, как вещества деформируются и текут под воздействием напряжения, что, в свою очередь, влияет на их обработку, поведение в промышленных трубопроводах, в окружающей среде или в потребительских товарах, а также на их реакцию на изменение температуры.
Традиционно для расчёта вязкости жидкости или расплава полимера на основе молекулярного моделирования на компьютерах используется метод, называемый формализмом Грина — Кубо. Он работает путём отслеживания того, как внутренние напряжения колеблются и затухают с течением времени внутри смоделированного материала в термодинамическом равновесии.
Этот подход широко используется в молекулярно-динамическом моделировании и хорошо зарекомендовал себя при высоких температурах, когда всё является жидким и расслабленным, и термодинамическое равновесие является хорошим предположением.
Но когда мы охлаждаем эти системы до так называемого стекловидного перехода — точки, где материал начинает вести себя больше как твёрдое тело — всё становится сложнее. Молекулы двигаются медленно. Корреляции напряжений требуют много времени для затухания. Моделирование занимает нереально много времени, и метод Грина — Кубо начинает давать сбои. Мы остаёмся с неопределённостью именно там, где физика становится наиболее интересной.
Это побудило меня пойти другим путём — тем, который не полагается на ожидание релаксации системы. Вместо этого я решил изучить, как материал вибрирует. В частности, в 2023 году я опубликовал статью, в которой установил новую математическую связь между вязкостью и спектром колебаний атомов и молекул в материале.
Вместе с моими коллегами Анкитом Сингхом и Винаем Вайбхавом из Миланского университета и Тимом Сирком из Исследовательской лаборатории армии США в статье, только что опубликованной в Journal of Chemical Physics, я представил новый атомистический метод расчёта вязкости, основанный на этой теоретической основе 2023 года.
Ранее работа, опубликованная в Physical Review E, показала, как поток и эластичность жидкостей и неупорядоченных твёрдых тел — таких как стёкла и полимеры — можно понять через нечто, называемое неаффинной решёточной динамикой, или NALD. Она описывает, как атомы и молекулы отклоняются от идеальных, равномерных движений, когда материал деформируется. Эти неаффинные движения являются отличительной чертой беспорядка, и они оказываются решающими в определении того, как материалы сопротивляются течению.
В этом новом исследовании мы применили эту теорию к реальным атомистическим симуляциям полимеров. В частности, мы использовали модель Кремера — Греста, хорошо известное упрощённое представление полимерных цепей. Затем мы вычислили, как атомы колеблются вокруг своих равновесных положений — полный спектр колебательных мод.
Используя формализм NALD, мы смогли рассчитать, как материал реагирует на напряжение на разных частотах. Это дало нам спектр модулей сдвига — по сути, отпечаток того, насколько жёстким или мягким является материал в различных временных масштабах.
С низкочастотного конца этого спектра мы извлекли вязкость. Примечательно, что этот подход работает вплоть до температур, близких к стекловидному переходу, где традиционные методы становятся ненадёжными. Фактически вибрационная информация кодирует всё, что нам нужно знать о том, как течёт материал, без необходимости моделирования длительной релаксации.
Ещё один поразительный результат заключается в том, что важны все колебательные моды — не только мягкие. Весь ландшафт атомного движения, от быстрых локальных колебаний до более медленных коллективных движений, вносит свой вклад в вязкость. Это даёт глубокое физическое понимание того, что заставляет материал течь — или сопротивляться течению.
Мы сравнили наши прогнозы с обычными расчётами Грина — Кубо, а также с неравновесным моделированием в высокотемпературном режиме, где оба эти метода всё ещё надёжны. Согласие было отличным в широком диапазоне температур, без регулируемых параметров, но наш метод сохранил свою точность и эффективность даже вблизи стекловидного перехода, где ни один другой метод не может дать осмысленных результатов.
Это имеет серьёзные последствия. Во-первых, это открывает дверь для более предсказуемого, физически обоснованного подхода к пониманию вязкости в жидкостях и мягких веществах. Это также позволяет нам вычислять свойства потока в режимах, которые ранее были недоступны — что имеет решающее значение для разработки материалов, которые должны функционировать в экстремальных условиях.
С фундаментальной точки зрения это даёт нам новый способ увидеть, как атомная структура и движения на атомном уровне преобразуются в макроскопический поток. Это также открывает двери для предсказательного проектирования мягких материалов и полимеров на основе их вибрационных характеристик и для новых неразрушающих механических испытаний на основе вибрационной спектроскопии.
Алессио Закконе получил докторскую степень на факультете химии ETH Zurich в 2010 году. С 2011 по 2014 год он был научным сотрудником Оппенгеймера в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. После работы на факультете Технического университета Мюнхена (2014–2015) и Кембриджского университета (2015–2018) он стал профессором и заведующим кафедрой теоретической физики на факультете физики Миланского университета с 2022 года.
Награды включают Серебряную медаль ETH, профессорство Гаусса Гёттингенской академии наук в 2020 году, стипендию Королевского колледжа в Кембридже и грант ERC Consolidator «Multimech».
Научные интересы варьируются от статистической физики неупорядоченных систем (случайные упаковки, заклинивание, стёкла и стекловидный переход, коллоиды, неравновесная термодинамика) до физики твёрдого тела и сверхпроводимости.