Авторы исследования поставили перед собой задачу определить природу перехода флюида водорода из молекулярной фазы в проводящую (металлическую). Ранее из теоретико-вычислительных работ стало известно, что при высоком давлении у водорода происходит аномальный рост диффузии (способности молекул одного вещества проникать между молекулами другого). Однако из экспериментальных данных не удавалось определить коэффициенты диффузии и вязкости (сопротивляемости к проникновению), а прямые расчеты (ab initio) были слишком затратны для этой цели. Поэтому исследователи решили применить комбинацию методов машинного обучения и классической молекулярной динамики. Такой подход позволил изучить динамические свойства флюидов водорода в больших моделях.
«Для построения межатомного потенциала мы собрали данные ab initio расчетов: энергии и силы для разных конфигураций систем при различных температурах и плотностях. Наш соавтор Николай Щелкачев (Институт физики высоких давлений РАН) в режиме активного обучения отобрал конфигурации с наибольшей ошибкой предсказания и к ним провел дополнительные расчеты для улучшения точности модели. На выходе у нас получился DeepMD-потенциал — функция энергии системы от координат всех атомов. Он воспроизводит результаты ab initio расчетов, но значительно быстрее», – цитирует МФТИ одного из авторов исследования, ассистента кафедры вычислительной физики Вячеслава Вакьянчука.
Упомянутый DeepMD-потенциал предоставляет данные о колебательных спектрах, коэффициентах диффузии и вязкостях в диапазонах температур и плотностей. С его помощью ученые впервые рассчитали вязкость плотного разогретого флюида водорода, что ранее было недоступно из-за больших затрат на вычисления. Оказалось, что вязкость значительно увеличивается при фазовом переходе, а затем снижается с дальнейшим ростом плотности. Это соответствует тенденциям, которые можно наблюдать на примере щелочных металлов, в том числе лития.
«Мы разрабатываем идею о том, что вязкость флюида водорода при высоких давлениях может вести себя так же, как и у щелочных расплавов. Это будет проверено в наших будущих исследованиях», – приводит МФТИ слова Николая Кондратюка, исполнительного директора Центра вычислительной физики.
Проведенные в ходе исследования расчеты подтвердили существование в жидком водороде фазового перехода первого рода (из одного агрегатного состояния в другое), сопровождающегося резким изменением плотности, диффузии и вязкости. Значительное увеличение коэффициента диффузии происходит при температуре 700, 800 и 900 К (от 427 до 627 градусов Цельсия), в том числе из-за диссоциации молекул водорода и увеличения подвижности атомов.
