Физики МФТИ нашли точный способ определить момент равновесия в несмешивающихся жидкостях

Исследователи из Центра вычислительной физики МФТИ разработали автоматический метод, позволяющий объективно определять момент достижения равновесия в молекулярно-динамических симуляциях, где взаимодействуют несмешивающиеся жидкости в нанопорах. Вместо традиционного визуального анализа они предложили точный и воспроизводимый подход, который особенно важен для надежного моделирования сложных молекулярных систем.

Проблема разновременного равновесия

Ключевая задача современной вычислительной физики — определить точку равновесия на границе двух несмешивающихся жидкостей внутри узких нанопор. В системах наподобие углеводород-вода-кальцит разные параметры — контактный угол, толщина смачивающего слоя и распределение плотности внутри капли — приходят к равновесию на различных временных шкалах. Внешняя стабилизация формы капли еще не означает, что вся система находится в равновесии. Это приводит к ошибкам при усреднении данных и неверным выводам о смачиваемости, что критически для моделирования процессов добычи нефти.

«У нас периодически возникает потребность в проведении большого количества молекулярно-динамических расчетов. Необходимо как-то определять точку выхода на равновесие того или иного физического параметра системы для повышения качества данных», — объяснил Тимур Гуськов, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ.

Новый метод и дескриптор MF

Авторы впервые применили современный алгоритм автоматического усечения данных на основе статистического метода к интерфейсам жидкость-жидкость в нанопоре кальцита, на примере чистого н-декана, чистого бензола и их смеси. Для прямой проверки плотности внутри капли они разработали новый дескриптор MF — математический показатель, характеризующий профиль плотности капли. Он не привязан к геометрии интерфейса, что позволяет отслеживать равновесие отдельных компонент даже в смесях.

Расчеты, опубликованные в журнале Molecular Simulation, показали: в системах углеводород-вода-кальцит контактный угол и макроскопическая форма капли стабилизируются в 10–200 раз быстрее, чем ее внутренняя структура. Перераспределение молекул углеводородов внутри капли может продолжаться еще десятки наносекунд после того, как форма капли уже «замерла». Также выяснилось, что при слабом усреднении метод PANDA-NN (автоматический расчет контактного угла по плотностным профилям) систематически завышает угол до +4,7°. Ученые предложили практический протокол: сначала определять момент равновесия при малом усреднении, а затем пересчитывать угол при большем усреднении. Это устраняет систематическую ошибку и повышает точность расчета.

«Плотность устаканивается дольше, чем форма интерфейса. То есть для понимания структуры капли необходимо моделировать систему несколько дольше, чем для обычных расчетов контактных углов. В особенности это важно для систем, в которых диффузия и адсорбция происходят медленно», — подчеркнул Илья Копаничук, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.

Предложенный подход делает результаты молекулярного моделирования надежными и воспроизводимыми. Он особенно востребован в нефтедобыче (карбонатные коллекторы), хранении CO₂, разработке мембран и наноматериалов. «Впоследствии мы планируем изучать динамические свойства ограниченных интерфейсов, а также влияние шероховатости поверхностей на их смачиваемость. В этом нам помогут проработанные в данном исследовании подходы, которые уже активно внедряются в наши расчеты», — сообщил Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант номер 25-13-00313).