Yeni Təbiət Fizikası araşdırması suyun eyni vaxtda iki fərqli maye formada mövcud olduğu uzun müddətdir fərz edilən maye-maye kritik nöqtəsinə işıq saldı və eksperimental yoxlama üçün yeni imkanlar açır.

Su anomal xüsusiyyətləri ilə tanınır – əksər maddələrdən fərqli olaraq, su bərk deyil, maye halında ən sıxdır . Bu, su üzərində üzən buz kimi unikal davranışlara gətirib çıxarır.

Bir neçə belə qeyri-adi xüsusiyyətlərdən biri suyun unikal davranışını, xüsusən də həddindən artıq soyudulmuş rejimdə başa düşmək üçün onilliklər boyu araşdırmalara səbəb oldu.

Bununla belə, həddindən artıq soyudulmuş rejimdə baş verdiyi ehtimal edilən maye-maye faza keçidinin (LLPT) öyrənilməsi tədqiqatçıların həll etmək istədiyi problemlərlə üzləşdi.

Phys.org tədqiqatın həmmüəllifləri, Roma Sapienza Universitetindən professor Françesko Sciortino və Kaliforniya San Dieqo Universitetindən professor Françesko Paesani ilə işlərindən danışıb.

“Su, alimlərin onilliklər ərzində anlamağa çalışdıqları xassələrə malik unikal mayedir”, – professor Paesani izah edib.

“Uzun müddət davam edən bir fərziyyə göstərir ki, ekstremal şəraitdə, xüsusən də çox aşağı temperaturda və yüksək təzyiqdə su iki fərqli maye fazasında mövcud ola bilər: yüksək sıxlıqlı maye və aşağı sıxlıqlı maye.”

Professor Sciortino davam etdi: “Bu iki fazın bir-birindən fərqlənmədiyi nöqtə maye-maye kritik nöqtəsi kimi tanınır . Bununla belə, suyun bu şərtlərə çatmadan donmasının qarşısını almaq problemi səbəbindən onun eksperimental təsdiqi çətin olaraq qaldı.”

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=135&slotname=8188791252&adk=2329133447&adf=4054963813&pi=t.ma~as.8188791252&w=540&abgtt=6&fwrn=4&lmt=1740395547&rafmt=11&format=540×135&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-02-scientists-elusive-liquid-transition-deep.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTAuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTMzLjAuNjk0My4xMjciLG51bGwsMCxudWxsLCI2NCIsW1siTm90KEE6QnJhbmQiLCI5OS4wLjAuMCJdLFsiR29vZ2xlIENocm9tZSIsIjEzMy4wLjY5NDMuMTI3Il0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzMy4wLjY5NDMuMTI3Il1dLDBd&dt=1740395547710&bpp=1&bdt=72&idt=146&shv=r20250218&mjsv=m202502180101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Dd606465ca292edbd%3AT%3D1740391608%3ART%3D1740395273%3AS%3DALNI_MYgWlojxSNcnNmVIf_Ffsv2AtGSvQ&gpic=UID%3D00001043c7736ecb%3AT%3D1740391608%3ART%3D1740395273%3AS%3DALNI_MZEJhtS9BvVA2wUskr2oxa8iW1_rA&eo_id_str=ID%3D2ef8f05ef9da7b6b%3AT%3D1740391608%3ART%3D1740395273%3AS%3DAA-AfjaExhn3EpdjGfR62WdKed2r&prev_fmts=0x0&nras=1&correlator=6626796170197&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=3&u_h=864&u_w=1536&u_ah=824&u_aw=1536&u_cd=24&u_sd=1.25&dmc=8&adx=395&ady=1938&biw=1519&bih=738&scr_x=0&scr_y=0&eid=31090561%2C95350441%2C95350549%2C95353421%2C95347433%2C95350015&oid=2&pvsid=3401710910781162&tmod=650292854&uas=0&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1536%2C0%2C1536%2C824%2C1536%2C738&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDFd&nt=1&ifi=2&uci=a!2&btvi=1&fsb=1&dtd=151

Maye-maye faza keçidi

Saf su -38°C-yə qədər soyuduqda donma nöqtəsini 0°C-də keçməsinə baxmayaraq maye halında qalır. Bu, həddindən artıq soyudulmuş vəziyyət kimi tanınır.

1992-ci ildə tədqiqatçılar ilk dəfə suyun iki fərqli maye vəziyyətində və ya fazasında mövcud olduğu -38°C-dən çox soyudulmuş nöqtədən aşağı maye-maye faza keçidinə (LLPT) malik ola biləcəyini təklif etdilər.

Professor Sciortino 1992-ci ildə Boston Universitetində postdok kimi bu problem üzərində işləmişdir.

Çətinlik tədqiqatçıların “insanların olmadığı” ərazi adlandırdıqları yerdən qaynaqlanır, suyun faza diaqramında maye suyun adətən ölçmələr aparılmazdan əvvəl dərhal buz halına salındığı bir bölgədir. Bu, -38°C həddindən artıq soyudulmuş kritik nöqtənin altında baş verir.

Real vaxt rejimində ölçmə apara bilməmək tədqiqatçıları suyun davranışını proqnozlaşdırmaq üçün kompüter simulyasiyalarına çox etibar etməyə məcbur etdi.

Əvvəlki tədqiqatlar 36 ilə 270 MPa arasında dəyişən təxmin edilən kritik təzyiqlər və -123°C ilə -23°C (və ya 150 ilə 250 K) arasında dəyişən kritik temperaturlarla təklif olunan maye-maye kritik nöqtəsinin (LLCP) yeri üçün geniş şəkildə müxtəlif proqnozlar verdi.

Həll Prof. Sciortino və Prof. Paesani arasında, MB-pol.

MB-pol-un dərin soyudulmuş suda iki maye ssenarisinin etibarlılığını ciddi şəkildə yoxlaya biləcəyi ilə bağlı maraq və şübhənin qarışığı onları bu araşdırmanı davam etdirməyə vadar etdi.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklər əldə edin .Abunə ol

Dərin neyron şəbəkələrdən istifadə

“Dəqiqliyinə baxmayaraq, MB-pol empirik modellərə nisbətən hesablama baxımından daha tələbkardır. Bu məhdudiyyəti aradan qaldırmaq üçün bu sənədin üçüncü müəllifi Sigbjørn Bore MB-pol məlumatlarında təlim keçmiş dərin neyron şəbəkə potensialını (DNN@MB-pol) inkişaf etdirdi”, – professor Paesani neyron şəbəkələrin öz tədqiqatlarında iştirakını izah etdi.

Əvvəlki su modellərindən fərqli olaraq, bu yanaşma molekulyar qarşılıqlı təsirlər üçün qızıl standart hesab edilən birləşmiş klaster səviyyəsində kvant kimyasının birinci prinsiplərindən irəli gəlir.

DNN@MB-pol modelindən istifadə edərək tədqiqatçılar mikrosaniyəlik molekulyar dinamika simulyasiyalarını həyata keçirdilər .

“Bunlar dərindən həddindən artıq soyudulmuş vəziyyətdə suyun tədqiqi üçün çox vacibdir, çünki temperatur azaldıqca molekulyar diffuziya kəskin şəkildə yavaşlayır. Bu yavaşlama sistemin metastabil tarazlığa çatmasını getdikcə çətinləşdirir və müvafiq dinamikanı tutmaq üçün müstəsna uzun simulyasiyalar tələb edir”, – professor Paesani izah edib.

Simulyasiyalar 20 temperatur (188 ilə 368 K və ya -85°C ilə 95°C) və 14 təzyiq (0,1-131,7 MPa) arasında dəyişən 280 müxtəlif vəziyyət nöqtəsində aparılıb.

Bütün simulyasiyalar dövri sərhəd şəraitində 256 su molekulundan ibarət sistemlə aparılmışdır.

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?gdpr=0&us_privacy=1—&gpp_sid=-1&client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=135&slotname=8188791252&adk=2329133447&adf=809300024&pi=t.ma~as.8188791252&w=540&abgtt=6&fwrn=4&lmt=1740395593&rafmt=11&format=540×135&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-02-scientists-elusive-liquid-transition-deep.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTAuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTMzLjAuNjk0My4xMjciLG51bGwsMCxudWxsLCI2NCIsW1siTm90KEE6QnJhbmQiLCI5OS4wLjAuMCJdLFsiR29vZ2xlIENocm9tZSIsIjEzMy4wLjY5NDMuMTI3Il0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzMy4wLjY5NDMuMTI3Il1dLDBd&dt=1740395547710&bpp=1&bdt=71&idt=179&shv=r20250218&mjsv=m202502180101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Dd606465ca292edbd%3AT%3D1740391608%3ART%3D1740395593%3AS%3DALNI_MYgWlojxSNcnNmVIf_Ffsv2AtGSvQ&gpic=UID%3D00001043c7736ecb%3AT%3D1740391608%3ART%3D1740395593%3AS%3DALNI_MZEJhtS9BvVA2wUskr2oxa8iW1_rA&eo_id_str=ID%3D2ef8f05ef9da7b6b%3AT%3D1740391608%3ART%3D1740395593%3AS%3DAA-AfjaExhn3EpdjGfR62WdKed2r&prev_fmts=0x0%2C540x135%2C728x90&nras=2&correlator=6626796170197&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=3&u_h=864&u_w=1536&u_ah=824&u_aw=1536&u_cd=24&u_sd=1.25&dmc=8&adx=395&ady=4011&biw=1519&bih=738&scr_x=0&scr_y=1071&eid=31090561%2C95350441%2C95350549%2C95353421%2C95347433%2C95350015&oid=2&pvsid=3401710910781162&tmod=650292854&uas=3&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1536%2C0%2C1536%2C824%2C1536%2C738&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDFd&nt=1&ifi=3&uci=a!3&btvi=3&fsb=1&dtd=46183

Faza keçidlərinin müəyyən edilməsi

Simulyasiyalar müxtəlif sıxlıqlara və strukturlara malik iki fərqli maye vəziyyəti üçün birbaşa sübutlar ortaya qoydu.

Tədqiqatçılar suyu -85°C-də (188 K) tədqiq edərkən mikrosaniyəlik zaman şkalalarında baş verən dramatik sıxlıq dalğalanmalarını müşahidə etdilər, suyun kortəbii olaraq 101,3 MPa səviyyəsində yüksək sıxlıq və aşağı sıxlıq vəziyyətləri arasında keçidi.

Bu müşahidələr suyun iki maye forması arasında birinci dərəcəli faza keçidinin mövcudluğunu təsdiqlədi, sərbəst enerji maneələri soyuduqda artdı ki, bu da belə keçidlərin aydın imzasıdır.

Eksperimental dəyərlərlə müqayisədə modelin sistematik sapmasını nəzərə alaraq, komanda suda faktiki kritik nöqtəni təxminən 198 K (-75°C) və 126,7 MPa səviyyəsində qiymətləndirdi.

Bəlkə də ən əhəmiyyətlisi, bu tədqiqatda müəyyən edilmiş kritik nöqtə bir çox əvvəlki proqnozlardan daha aşağı təzyiqdə görünür və bunun eksperimental olaraq əlçatan ola biləcəyini göstərir.

Tədqiqatçılar həmçinin maye-mayenin birgə mövcudluğu əyrisini göstərən hərtərəfli faza diaqramını qura bildilər.

“Biz təxmin edilən maye-maye kritik nöqtəmizə çox əminik, çünki o, nəzəriyyənin birləşdirilmiş çoxluq səviyyəsində birinci prinsiplərdən kvant kimyasından – elektron struktur hesablamaları üçün qızıl standartdan hazırlanmışdır” dedi Prof. Sciortino.

Doğrulama üçün nanodropletlər

Nəticələr 30 ildən artıqdır davam edən elmi sualın həllinə kömək edərək, suda LLPT-nin mövcudluğuna dair ən güclü hesablama sübutunu təqdim edir.

Tədqiqatçılar hesab edirlər ki, qapalı məkanlarda mövcud olan və ya bir mühitdə asılı vəziyyətdə olan nanometr genişlikdəki su damlacıqları LLPT nəticələrini eksperimental olaraq təsdiqləyə bilər.

“Cəmi bir neçə nanometr diametrli nanodropletlər üçün daxili təzyiq maye-maye kritik təzyiqi (~1250 atm) ilə müqayisə edilə bilən dəyərlərə çata bilər. Bu onu göstərir ki, diqqətlə idarə olunan nanodropletlər LLCP-nin tədqiqi üçün eksperimental yol təmin edə bilər”, – professor Paesani bildirib.

Professor Sciortino əlavə etdi: “Neytron və X-şüalarının səpilməsi təcrübələri, bu məhdud damcıların içərisində iki maye vəziyyətin struktur imzalarını aşkar etmək üçün istifadə edilə bilər.”

“Xüsusən, səpilmə üsulları kritik hadisələr üçün xarakterik olan sıxlıq dalğalanmalarını və korrelyasiyaları aşkar edə bilər. Bundan əlavə, zamanla həll olunan spektroskopiya iki maye faza arasında qarşılıqlı çevrilmə dinamikasını tutmağa kömək edə bilər.”

LLPT-nin kəşfi bir çox elmi sahələrə geniş təsir göstərir.

Suyun ikili vəziyyətli davranışını başa düşmək iqlim modelləşdirməsini və hava proqnozunu təkmilləşdirə, uzaq aylar və planetlərdə okeanlar haqqında anlayışlar təmin edə, fazaların ayrılması ilə idarə olunan hüceyrə prosesləri haqqında anlayışımızı gücləndirə və enerjinin saxlanması və suyun təmizlənməsində texnologiyaları inkişaf etdirə bilər.

Daha çox məlumat: F. Sciortino et al, Suda maye-maye kritik nöqtəsinin yerləşməsinə dair məhdudiyyətlər, Təbiət Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02761-0 .

Jurnal məlumatı: Təbiət Fizikası 

© 2025 Science X Network