Atomphysikalische Simulationen ergeben neue Materialien
Computersimulationen auf Grundlage von Theorien auf Atomebene werden zunehmend eine größere Rolle bei der Suche nach modernen und hochleistungsfähigen Materialien spielen. In den meisten Fällen liefern diese Verfahren genaue Daten in Bezug auf die atomaren, elektronischen, chemischen und magnetischen Strukturen der Materialien. Grundprinzipenverfahren (First principles) bieten gleichermaßen die Möglichkeit, auf atomarer Ebene Strukturen und Phänomene zu untersuchen, die jenseits gegenwärtiger experimenteller Fähigkeiten liegen. Die methodologischen Haupterrungenschaften des Projekts ALPAM (Atomic-level physics of advanced materials) umfassen ein neu entwickeltes quasi uneinheitliches Dichtefunktionsschema sowie einen auf atomarer Ebene angelegten Ansatz für thermodynamische und kinetische Eigenschaften von Legierungen mit nichttrivialen magnetischen Freiheitsgraden. In neuester Zeit brachte das Projekt eine transparente Plastizitätstheorie auf Atomniveau für kubisch-flächenzentrierte Metalle und Legierungen voran. Die Projektwerkzeuge sind auf die Untersuchung des Ordnungs-Unordnungs-Phasenübergangs bei wichtigen Klassen magnetischer Legierungen einschließlich interstitieller Legierungen angewandt worden. Dabei beschäftigte man sich mit der Thermodynamik weiterer Punkt- und Flächendefekte (Fehlstellen, Grenzflächen und Stapelfehler) bei Eisenlegierungen (Fe) und man legte eine Reihe anomal magnetischer Effekte offen. Bei Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen (Fe-Cr-Ni; Austenit) folgen die die plastischen Verformungsmechanismen steuernden Stapelfehlerenergien einer stark nichtlinearen Zusammensetzungsabhängigkeit, die dem magnetischen Beitrag zur Defektenergie zugeschrieben werden kann. Genaues Wissen über die elastischen Eigenschaften ist bei vielen praktischen Anwendungen einschließlich der phänomenologischen Modellierung von Stärkungsmechanismen unerlässlich. Die meisten der wissenschaftlichen Probleme, mit denen sich dieses Projekt beschäftigte, sind eng mit wichtigen industriellen Problemen verknüpft. Beispielsweise nimmt man an, dass der Effekt der Nichtgleichgewichtssegregation in hohem Maße für den Cr-Abbau an Korngrenzen in austenitischem rostfreien Stahl unter Bestrahlung verantwortlich ist, was zu strahlungsinduzierter Spannungsrisskorrosion führt, von der man häufig im Zusammenhang mit Unfällen in Kernkraftwerken hört. Die Erkenntnisse des Teams in Bezug auf die elektronischen Eigenschaften von Fe haben es gleichermaßen ermöglicht, maßgebliche interdisziplinäre Arbeit in der Geologie zu erledigen. Die Forscher haben bewiesen, dass die kubisch-raumzentrierte (body-centered cubic, bcc) Phase von Fe bei hohem Druck und hoher Temperatur dynamisch stabil ist. Ferner haben sie demonstriert, dass die Eigenschaften von Fe-reichen bcc-Legierungen, die eine geringe Menge an Leichtmetallen enthalten, mit den von Seismologie angegebenen Charakteristiken vereinbar sind. Das legt nahe, dass kubisch-raumzentriert strukturierte Fe-Legierungen mögliche Modelle für den Erdkern sind. ALPAM hat Aufschluss über hinter den beobachtbaren makroskopischen Eigenschaften von Materialien verborgende, auf atomarer Ebene vorhandene Eigenschaften und ablaufende Prozesse gegeben und umfassende First-Principles-Daten für die Multiskalenmodellierung geliefert. Im Ergebnis dessen sind detaillierte Informationen über Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften, Defekt-Wechselwirkungsparameter und atomistische Mechanismen von Prozessen in den per Stichprobe erforschten Legierungsphasen ermittelt worden.
Schlüsselbegriffe
Atomphysik, verbesserte Materialien, zukunftsweisende Werkstoffe, ALPAM, Legierungen, Metalle, elastische Eigenschaften