Предельные прочность и упругость жидкости и твердого тела при отрицательных давлениях: эксперимент и компьютерное моделирование

Проект направлен на исследование устойчивости жидкости и твердого тела при отрицательных давлениях и низких температурах, когда конденсированная система находится в метастабильном состоянии. Определяется граница термодинамической устойчивости («теоретическая» прочность, спинодаль) конденсированного вещества. Для этого впервые при отрицательном давлении в широком интервале температур измеряются плотность и изотермическая упругость. Экспериментальные исследования дополняются молекулярно-динамическим моделированием, в котором рассчитываются изодинамические коэффициенты устойчивости (изотермическая упругость, изобарная теплоемкость, модули упругости кристалла) и определяется их поведение вблизи границы устойчивости. Кинетика вскипания растянутой жидкости исследуется в волне отрицательного давления, образующейся при отражении импульса ударного сжатия от границы раздела жидкость–газ. Помимо предельного растягивающего напряжения в эксперименте определяются скорость зарождения новой фазы и производная от скорости зарождения по температуре. В молекулярно-динамическом моделировании рассчитываются коэффициент диффузии зародышей по размерам, фактор Зельдовича, работа образования критического зародыша и его свойства (поверхностная энергия и др.). Полученные данные сопоставляются с теорией гомогенного зародышеобразования Фольмера-Зельдовича-Френкеля. Кинетика разрушения кристаллического состояния вещества исследуется при температурах как выше, так и ниже температуры конечной точки линии плавления. Будут локализованы состояния, в которых распад кристаллической фазы протекает через формирование промежуточной (метастабильной) жидкой фазы, а жидкая фаза теряет свою устойчивость посредством зарождения и последующего распада в ней очагов кристаллической фазы. Также планируется исследовать возможность спинодального распада в кристалле фазы и образование долгоживущих метастабильных фаз. На основе результатов экспериментальных исследований и компьютерного моделирования предполагается провести сравнительный анализ кинетической концепции прочности твердых тел и кинетической теории зародышеобразования в жидкости. Актуальность исследований определяется нерешенностью задач физики метастабильных состояний, широкой распространенностью фазовой метастабильности в природе и технике, обеспечением надежности работы технических устройств, использующих рабочие тела и материалы, в которых могут реализовываться метастабильные состояния.