Компьютерные модели вещества дают полный набор данных о структуре – координаты каждого атома. Однако, чтобы извлечь физически значимую структурную информацию, необходимы специальные методические приёмы обработки этих данных. Весьма эффективным для этого оказался подход, основанный на общих математических теоремах Вороного и Делоне, совмещённый с идеями теории перколяции. Особенностью современного этапа развития метода является то, что он позволяет анализировать не только ближайшее окружение атомов или молекул, но и структурные корреляции на больших расстояниях. Это дает возможность использовать его для изучения структурно-неоднородных веществ. Актуальность таких задач вызвана исследованиями вещества на нанометровых масштабах и приложениями к супрамолекулярной и биологической физике. Предложенный метод становится общим подходом для описания структурных особенностей на разных уровнях. В данной серии работ демонстрируется его применение к исследованию структурных неоднородностей различной физической природы. Дополнительной спецификой (и сложностью) данных исследований является работа с большими моделями (содержащими тысячи, десятки тысяч атомов).

В работах [1, 2] (работа [2] является более полным вариантом) исследуется поведение вещества из сферических атомов при понижении плотности. Обнаружен фазовый переход потери сплошности, происходящий при уменьшении плотность модели до 80-85% от нормальной. При этом однородная упаковка распадается на области плотных атомных сгущений, разделённых пустотами. Характерный размер таких областей сгущений, так и пустот составляет примерно 10 атомных диаметров.

В работах [3-5] изучается структурная неоднородность конденсированных водных фаз. Открытое недавно явление полиморфизма в аморфном состоянии льда является предметом интенсивного изучения экспериментаторами и теоретиками. Нами проанализированы молекулярно-динамические модели аморфного льда низкой [3] и высокой [4] плотности и показано, что неоднородности в них (молекулы с большей или меньшей локальной плотностью, а также с хорошей или плохой тетраэдричностью ближайшего окружения) расположены в пространстве не случайно, а образуют фрактальные мотивы. Такая структурная неоднородность приводит к различиям в движениях молекул. Любопытно, что характерный размер неоднородностей в водных системах такого же порядка, как и в простых жидкостях – около 10 молекулярных диаметров. Работа [5] обсуждает проблему неоднородности в более широком аспекте структуры сеток водородных связей в разных водных системах.

Имея метод количественного исследования неоднородностей, удалось однозначно объяснить природу так называемого препика, наблюдаемого на дифракционной кривой некоторых веществ, таких как тетраэдрически координированные аморфные полупроводники, расплавы солей, вода, а также некоторые рыхлые и пористые системы. Мы убедительно показали, что препик в таких системах возникает вследствие пространственной корреляции межатомных полостей [6,7]. Было использовано то, что метод Вороного-Делоне позволяет наряду с системой атомов {A} рассматривать систему пустот {D}, представляемых центрами симплексов Делоне – образами элементарных пустот. Так же как для системы {A}, для системы {D} можно вычислить функцию радиального распределения и структурный фактор. В [6] эта процедура проделана для моделей воды разной плотности. Показано, что препик в структурном факторе воды совпадает по положению с главным пиком структурного фактора пустот (системы точек {D}). В работе [7] специально было показано, что введение в систему искусственных пустот с заданной пространственной корреляцией, приводит к появлению препика в структурном факторе, характер которого определяется мотивом расположения пустот в пространстве.

Неожиданным, но очень информативным оказалось применение метода для обнаружения и анализа протяженных дефектов в кристаллах. В данном случае была предложена оригинальная идея выявлять в кристаллической системе простейшие конфигурации атомов, которые нетипичны для данного кристалла. В работе [8] выявлены такие дефекты в модели кристалла, полученного методом молекулярной динамики из неупорядоченной (жидкой) фазы. Обнаруженные дефекты являются, с точки зрения теории дислокации, – ядрами дислокаций, однако проведенный анализ молекулярной структуры этих дефектов показывает большое многообразие таких линейных структур и призывает к их дальнейшим исследованиям. В работе [9] высказаны основные идеи о возможности применения метода к неоднородным системам в общем случае. Данная публикация сделана по докладу на международной конференции, посвященной перспективам развития структурных исследований в области сложных и гетерогенных материалов. (International Conference “Horizons in Complex Systems” 5-8 Dec.,2001, Messina, Italy).

Список представленных оттисков.
 

1. V.P.Voloshin, Yu.I.Naberukhin. Homogeneity loss phase transition in packings of Lennard-Jones atoms under density decreasing. // J.Mol.Liquids, 1999, v.82, p.19-28.

2. В.П.Волошин, Ю.И.Наберухин. Структурные превращения в аморфной упаковке Леннард-Джонсовских атомов при уменьшении плотности. //// Журн. структ. химии, 2000, т.41, №5, с.1005-1012.

3. В.П.Волошин, Е.А.Желиговская, Г.Г.Маленков, Ю.И.Наберухин. Структурная неоднородность аморфного льда низкой плотности и ее влияние на динамику молекул воды. // Журн. структ. химии, 2001, т.42, №5, с.948-957.

4. В.П.Волошин, Е.А.Желиговская, Г.Г.Маленков, Ю.И.Наберухин. Структурная неоднородность аморфного льда высокой плотности. // Журн. структ. химии, 2002, т.43, №5, с.844-850.

5. В.П.Волошин, Е.А.Желиговская, Г.Г.Маленков, Ю.И.Наберухин, Д.Л.Тытик. Структура сеток водородных связей и динамика молекул воды в конденсированных водных системах.  // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2001, т.XLV, №3, с.31-37.

6. D.R.Barker, M.Wilson, P.A.Madden, N.N.Medvedev, A.Geiger. Voids in the H-bonded network of water and their manifestation in the structure factor. // Phys. Rev. E, 2000, v.62, p.1427-1430.

7. V.P.Voloshin, S.Beaufils, N.N.Medvedev. Void space analysis of the structure of liquids. // J. Mol. Liquids, 2002, v.96-97, p.101-112.

8. N.N.Medvedev. Approach for the structure analysis of complex molecular systems at computer simulation. // Physica A, 2002, v. 314, p.678-685.

Дополнение.

Работа в трудах конференции.

М.Г.Алинченко, Н.Н.Медведев. Применение метода Вороного-Делоне для исследования структуры дефектов в кристаллах. // Труды Х Российской конференции “Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов”. Т. 1, с.19-23. Челябинск. 2001.