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 Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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