Вопрос о формировании термодинамически устойчивых капелек и пузырьков вблизи твердых поверхностей является одним из актуальных вопросов науки о поверхностных явлениях, привлекающим в последнее десятилетие внимание многих исследователей. Решение этого вопроса имеет фундаментальное значение для дальнейшего развития теории и практических приложений, связанных с гетерогенной нуклеацией в газах и жидкостях, эффективным разделением веществ и созданием нано- и микроконтейнеров, с применением для струйной печати и в проектировании микрофлюидных устройств. В частности, существование термодинамически устойчивых капель или пузырьков при нуклеации обеспечивает возможность сильного понижения порога нуклеации. Отметим, что при гомогенном зарождении стабильных капелек в объёмном паре или стабильных газовых пузырьков в объемной жидкости не бывает, и их появление возможно либо в условиях малой ограниченной системы, либо при наличии гетерогенных центров или поверхностей. Сопутствующим проблеме формирования устойчивых капелек и пузырьков вблизи твердых поверхностей является вопрос о расклинивающем давлении в таких капельках и пузырьках, обусловленном их сильной неоднородностью.
Одним из современных методов исследования сильно неоднородных систем является метод функционала молекулярной плотности, который в разных вариантах в последнее время применялся для описания поверхностных слоев как на границе твердое тело–жидкость, так и на границе жидкость–пар. Другими широко используемыми методами является молекулярно-динамическое моделирование и метод Монте-Карло. Кроме того, в последнее время эффективно развивается вычислительный метод подталкивания упругой ленты (Nudged Elastic Band, NEB) в применении к задачам, где требуется анализ энергетической гиперповерхности в пространстве высокой или бесконечной размерности. Этот численный метод позволяет найти путь минимального перепада энергии (ПМПЭ или Minimum Energy Path, MEP в англоязычной литературе), который «проходит» система от исходного нестабильного или метастабильного состояния к конечному, стабильному. Этот метод применим к системам с различной геометрией.
На сегодняшний день можно считать подтвержденным существование термодинамически устойчивых сферических малых капелек в виде жидких плёнок вокруг лиофильных твердых нано- и микрочастичек, однако по-прежнему открытыми остаются вопросы о локальной структуре и расклинивающем давлении в таких плёнках. Участниками проекта были недавно на основе градиентного метода функционала плотности впервые показано, что вблизи сильно лиофобной поверхности твердого тела в растянутой жидкости формируются устойчивые, но очень узкие плоские или сферические паровые прослойки, отвечающие минимумам большого термодинамического потенциала системы. Было обнаружено и наличие расклинивающего давления в таких прослойках. Полученные результаты для устойчивых и неустойчивых зародышей газовой фазы согласуются с более ранними общими термодинамическими предсказаниями на основе анализа роли расклинивающего давления в тонких неоднородных плёнках и теории гетерогенной нуклеации на смачиваемых ядрах конденсации. Однако всё же градиентный метод имеет невысокую точность и даёт скорее качественные предсказания, особенно в работе с осциллирующими профилями плотности в жидкости вблизи твердой стенки. Для получения надежного результата нужен переход к полному интегральному методу функционала плотности с учетом нелокального жесткосферного вклада в свободную энергию системы. Актуальной остается и задача прямого определения структуры тонкой жидкой или паровой оболочки с помощью полноатомной и грубодисперсной молекулярной динамики. Особое место занимает вопрос о строгом вычислении тензора напряжений флуктуационного электромагнитного поля, свободной энергии и потенциала Казимира–Полдера в неоднородных системах при наличии тонких пленок, капель, пузырьков, вакуумных и воздушных щелей. Простые интегрирования молекулярного поля для твердых частиц могут вносить неконтролируемые ошибки.
