Метастабильное состояние вещества: актуальные проблемы
18 – 25 октября в Институте теплофизики
УрО РАН состоялось III российское совещание «Метастабильные состояния и
флуктуационные явления». В его организации принимали участие Отделение
энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Российской
академии наук, Научный совет РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и
теплоэнергетика», Национальный комитет по теплофизическим свойствам веществ
РАН, Институт теплофизики УрО РАН.
Научная тематика совещания включала ставшие уже
традиционными направления: неравновесные процессы, сопровождающие фазовые
превращения; теплофизические свойства веществ в метастабильных состояниях;
нуклеация в жидкостях, газах и твердых телах; динамика флуктуаций при
фазовых переходах и критических явлениях.
В Екатеринбурге собрались представители
академических институтов Москвы и Санкт-Петербурга, Уральского, Сибирского и
Дальневосточного отделений РАН, Национальной академии наук Украины,
университетов России, Германии. Наряду с маститыми учеными (академиками,
профессорами) среди участников совещания было много молодых ученых,
аспирантов, студентов.
В последние годы исследования в области физики
фазовой метастабильности интенсивно развиваются как в нашей стране, так и за
рубежом. Метастабильные состояния вещества широко представлены в природе и
часто реализуются в различных технологических процессах. Рассмотрение таких
состояний предполагает выход за рамки привычной фазовой диаграммы,
описывающей границы существования различных агрегатных состояний вещества
(кристалл, жидкость, пар) и известной каждому исследователю из учебников
физики. Изучение фазовой метастабильности и процессов фазовых превращений в
состояниях с конечным временем жизни привели к целому ряду ярких
фундаментальных результатов, несущих новое знание о природе и имеющих
большой практический интерес.
Академик В. П. Скрипов в докладе «О природе
экстраполяции в физике метастабильных состояний» привел ряд примеров
расширения картины фазовых и химических равновесий при экстраполяции свойств
систем в область короткоживущих (метастабильных) состояний. Обращение к
таким состояниям актуально в тех случаях, когда при описании свойств веществ
делается привязка к характерным значениям параметров, относящихся к
метастабильным состояниям.
На совещании были широко представлены
результаты экспериментальных исследований, которые получены в последнее
время в разных научных коллективах. Изучение поведения веществ при сильных
растягивающих напряжениях активно ведутся в Институте теплофизики
экстремальных состояний ОИВТ РАН (Москва). О плавлении металлов при
отрицательных давлениях рассказал в своем сообщении кандидат
физико-математических наук К. В. Хищенко. Такие условия реализуются в
различных быстропротекающих процессах при воздействии интенсивных потоков
энергии на конденсированные среды, в частности при ударно-волновом
воздействии на вещество.
Большая часть докладов была посвящена
исследованию фазовых превращений в метастабильном жидком состоянии вещества.
В докладе профессора В.В. Кузнецова из Института теплофизики СО РАН
рассказывалось об исследовании волновых процессов, возникающих в жидкости
при ее сверхбыстром переводе в метастабильное состояние путем нагрева на
поверхности микронагревателя и при резком снижении давления в жидкости. В
метастабильном состоянии флуктуационное зародышеобразование резко
увеличивает поток зародышей паровой фазы, что приводит к фазовому взрыву.
Взаимодействие пузырьков радикально влияет на динамику вскипания, и его учет
имеет принципиальное значение. При определенных условиях пузырьковый распад
метастабильной жидкости имеет автоволновой характер с последовательной
генерацией и подавлением волн вскипания. При подавлении центров кипения на
стенках сосуда распад метастабильной жидкости происходит в виде волны
поверхностного испарения с ячеистой структурой фронта.
Большой интерес вызвал доклад доктора
физико-математических наук С. А. Жукова из Института проблем химической
физики РАН (г. Черноголовка), посвященный задаче интенсификации теплоотдачи
при кипении жидкостей. Эта задача является одной из актуальнейших для
теплофизики. Она напрямую связана с проблемой повышения эффективности
энергетических установок. Как правило, интенсификация достигается за счет
увеличения скорости потока жидкости. В докладе рассказывалось о
принципиально новом методе интенсификации теплообмена при кипении жидкостей,
основанном на изменении устойчивости системы нагреватель-жидкость в
зависимости от способов управления нагревателем. Идея исследовать
возможность протекания химических реакций в режиме сверхинтенсивного
пузырькового кипения вытекает из механизма разрушения метастабильного слоя
проволочного нагревателя. Вблизи его поверхности непрерывно образуется и
схлопывается огромное количество пузырей. Согласно существующим
представлениям, температура и давление в них могут достигать огромных
величин.
Профессор С. В. Станкус рассказал о результатах
экспериментальных исследований по кристаллизации металлических и оксидных
расплавов из переохлажденного состояния, проводимых в Институте теплофизики
СО РАН, указав на существенные отличия от кристаллизации расплавов в обычных
равновесных условиях.
Заметная часть докладов была связана с
компьютерным моделированием метастабильных фазовых состояний. Бурное
развитие вычислительной техники сделало возможным прямое моделирование
свойств и процессов в системах с ограниченным числом атомов и молекул
(методы молекулярной динамики и Монте-Карло). Малые размеры молекулярных
моделей позволяют осуществить глубокий заход в область метастабильных
состояний и определить термодинамические и кинетические свойства,
структурные характеристики вещества в условиях, которые недоступны натурному
эксперименту. По этой причине вычислительные методы исследования
метастабильных фаз получили активное развитие в последние годы. В ряде
сообщений участников совещания из Института теплофизики УрО РАН и Института
теплофизики экстремальных состояний РАН были показаны результаты
моделирования поведения веществ в кристаллическом и жидком состояниях при
сильных растягивающих напряжениях и больших перегревах. Результаты своих
исследований по компьютерному моделированию образования нанокластеров в
паровой фазе и в расплаве представили сотрудники Института промэкологии и
Института металлургии УрО РАН.
Три дня напряженной работы совещания
сопровождались горячими дискуссиями и обсуждениями новых результатов,
полученных в разных научных коллективах. Заседания проходили в демократичной
и доброжелательной атмосфере. Все участники отмечали высокий научный уровень
представленных докладов, которые отражали актуальные и практически важные
направления исследований в области физики метастабильных состояний, и
рекомендовали организаторам совещания продолжить традицию его проведения.
Академик В. П. Скрипов выступил с предложением более активно использовать
новые знания о метастабильных состояниях и фазовых переходах в
образовательном процессе, в преподавательской практике для студентов и
аспирантов.
В свободное от заседаний время участники
знакомились с работами Института теплофизики УрО РАН непосредственно в
лабораториях. Все были единодушны во мнении о высоком уровне проводимых в
институте исследований, о признанном лидерстве уральской теплофизической
школы в изучении фазовой метастабильности.
М. ФАЙЗУЛЛИН, зам. директора Института теплофизики УрО РАН,
доктор физико-математических наук
На фото: выступает профессор Г.Э. Норман (Институт теплофизики
экстремальных состояний РАН, Москва).