Nuovi materiali provenienti dalle simulazioni di fisica atomica
Le simulazioni computazionali basate su teorie di livello atomico vanteranno un ruolo crescente nella ricerca dei materiali avanzati e ad alte prestazioni. Nella maggior parte dei casi, questi metodi forniscono dati precisi relazionati a strutture atomiche, elettroniche, chimiche e magnetiche dei materiali. I metodi di primo principio forniscono anche l’opportunità di studiare a livello atomico strutture e fenomeni che sono al di là delle attuali capacità sperimentali. Le principali realizzazioni metodologiche del progetto ALPAM (Atomic-level physics of advanced materials) includono uno schema funzionale di recente sviluppo con densità quasi non-uniforme e un approccio di livello atomico alle proprietà termodinamiche e cinetiche delle leghe con gradi magnetici di libertà non banali. Più di recente, il progetto ha proposto una teoria trasparente di plasticità a livello atomico per leghe e metalli cubici a facce centrate. Gli strumenti del progetto sono stati applicati all’analisi della transizione di fase ordine-disordine in importanti classi di leghe magnetiche, comprese le leghe interstiziali. È stata affrontata la termodinamica del punto diverso e i difetti planari (centri vacanti, interfacce e difetti di sovrapposizione) nelle leghe di ferro (Fe) e sono stati rilevati una serie di effetti stranamente magnetici. Nelle leghe ferro-cromo-nichel (Fe-Cr-Ni; austenite), le energie relative ai difetti di sovrapposizione, che controllano i meccanismi di deformazione plastica, seguono una dipendenza di composizione fortemente non lineare, la quale può essere attribuita al contributo magnetico per l’energia dei difetti. Una conoscenza accurata delle proprietà elastiche è indispensabile in molte applicazioni pratiche, tra cui la modellizzazione fenomenologica dei meccanismi di rafforzamento. La maggior parte dei problemi scientifici affrontati da questo progetto sono strettamente correlati a importanti problemi industriali. Per esempio, si ritiene che l’effetto di segregazione di non-equilibrio sia in gran parte responsabile per lo svuotamento di Cr ai bordi di grano nell’acciaio inossidabile austenitico sotto irradiazione, portando a tensocorrosione indotta da radiazioni, spesso coinvolta in incidenti presso le centrali nucleari. Le intuizioni del team riguardo alle proprietà elettroniche del Fe hanno inoltre reso possibile eseguire un lavoro interdisciplinare significativo in quanto a geologia. Essi hanno dimostrato che, a elevate temperature e pressioni, la fase cubica a corpo centrato (bcc) del Fe è stabile a livello dinamico. Inoltre, è stato dimostrato che le proprietà delle leghe bcc ricche di ferro aventi una piccola quantità di metalli leggeri sono coerenti con quelle indicate dalla sismologia. Ciò suggerisce che le leghe Fe bcc costituiscono dei possibili modelli per il nucleo interno della terra. Il progetto ALPAM ha fatto luce sulle proprietà su scala atomica e sui processi che stanno dietro le proprietà macroscopiche osservate nei materiali e ha ottenuto dati completi di primo principio sulla modellizzazione multiscala. Di conseguenza, sono state ottenute informazioni dettagliate sulle relazioni proprietà-struttura-composizione, sui parametri di interazione dei difetti e riguardo ai meccanismi atomistici dei processi, nelle fasi di lega campionate.
Parole chiave
Fisica atomica, materiali avanzati, ALPAM, leghe, metalli, proprietà elastiche