Физики создали «панду» для расчета углов смачивания в численном эксперименте
Российские ученые создали универсальный алгоритм PANDA для упрощения молекулярного моделирования углов смачивания в наномасштабе. Метод рассчитывает угол смачивания с помощью одномерного профиля плотности.
Результаты опубликованы в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.
Краевые углы смачивания характеризуют взаимодействие между молекулами твердой поверхности и жидкости. Знание контактного угла между материалами позволит прогнозировать их поведение, определять чистоту поверхности, помогает в создании гидрофобных и гидрофильных покрытий. Теоретические и численные методы расчета контактного угла требуют ввода большого числа параметров и зависят от определения положения поверхности раздела фаз. Это является проблемой, поскольку понятие «поверхность раздела» условное, и критериев ее нахождения множество.
«Мы избавили исследователей в области молекулярного моделирования от необходимости искать положение поверхности раздела — это позволило сократить число настраиваемых гиперпараметров до двух вместо 8–10, использованных в аналогичных методах. Не нужно больше подгонять метод расчета углов под каждую пару жидкость—твердое, PANDA универсален в этом отношении. И уж тем более больше не надо прикладывать к снимку системы транспортир», — рассказал Илья Копаничук, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.
Метод основывается на аналитических выражениях, описывающих формы поверхности одномерных профилей плотности для различных типов поверхностей, которые образуются между несмешивающимися жидкостями, например, между нефтью и водой. Профиль плотности показывает, как молекулы распространяются по пространству щели. В работе рассмотрены все возможные формы поверхности раздела между двумя жидкостями в плоской щели.
Метод PANDA рассчитывает угол смачивания с помощью одномерного профиля плотности. Выражения для аналитического профиля плотности задаются тремя параметрами: объемной долей несмачивающей жидкости, размером ячейки и величиной контактного угла. Если зафиксировать первые два, что довольно легко при старте расчет, то значение угла можно получить с помощью процедуры оптимизации отклонения аналитического профиля плотности от профиля, полученного в численном эксперименте.
Ученые протестировали алгоритм на примере синтетических данных и данных молекулярно-динамических расчетов. PANDA продемонстрировал высокую точность с ошибкой менее одного процента для большинства контактных углов на синтетике. На данных молекулярно-динамических расчетов алгоритм показал лучшее согласие с реальными экспериментами, чем сами эксперименты между собой.
PANDA упрощает анализ плотности в наномасштабе, устраняя необходимость поиска поверхности раздела. Он сокращает количество настраиваемых параметров до двух, что делает его универсальным и простым в использовании. Это приводи к тому, что алгоритм применим для любой системы без предварительной настройки параметров под конкретный состав.
Одним из ограничений PANDA является необходимость визуализации формы капли по разработанной номенклатуре (пончик, капля и тд). Ученые планируют снять это ограничение с помощью обучения нейросети PointNet. Благодаря чему расчет угла контакта смачивания методом молекулярной динамики станет полностью автоматическим.
Метод PANDA еще требует доработки для использования в настоящем физическом эксперименте. Одна из поставленных задач — разработать универсальный метод оценки краевых углов по интерференционной картине от капель жидкости. Решение этой задачи требует тесного сотрудничества с физиками-экспериментаторами.
Метод PANDA уже используется в нефтяной промышленности для оптимизации добычи углеводородов и создания новых технологий. В перспективе PANDA может применяться и в других областях, включая материаловедение и технологию покрытий.
В работе участвовали ученые из Центра вычислительной физики МФТИ, ОИВТ РАН, ВШЭ и AIRI.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно