Nowe materiały dzięki symulacjom z dziedziny fizyki atomowej
Symulacje obliczeniowe oparte na teoriach atomowych będą ogrywać coraz ważniejsza rolę w poszukiwaniach materiałów zaawansowanych i wysokowydajnych. W większości przypadków metody te pozwalają na uzyskanie dokładnych danych dotyczących budowy atomowej, elektronowej, chemicznej i magnetycznej materiałów. Metody pierwszej zasady umożliwiają też badanie struktur na poziomie atomowym i zjawisk niedostępnych dla aktualnie stosowanych technik eksperymentalnych. Do najważniejszych osiągnięć termodynamicznych projektu ALPAM (Atomic-level physics of advanced materials) należy opracowanie quasi-niejednorodnego schematu funkcjonału gęstości oraz atomowego podejścia do badania właściwości termodynamicznych i kinetycznych stopów z nietrywialnymi magnetycznymi stopniami swobody. Ostatnio uczestnicy projektu przedstawili transparentną teorię atomową plastyczności dla regularnych ściennie centrowanych metali i stopów. Opracowane w projekcie narzędzia zastosowano do badania przejścia ze stanu uporządkowanego do nieuporządkowanego w ważnych klasach stopów magnetycznych, w tym stopów międzywęzłowych. Badano termodynamikę różnych punków oraz defekty płaszczyznowe (luki, połączenia i błędy ułożenia) w stopach żelaza (Fe), a także znaleziono szereg anomalnych efektów magnetycznych. W stopach żelaza, chromu i niklu (Fe-Cr-Ni; austenit) energie błędów ułożenia — kontrolowania mechanizmów odkształcenia plastycznego — przebiegają zgodnie z silnie nieliniową zależnością kompozycyjną, którą można przypisać siłom magnetycznym, wpływającą na energię błędów. Dokładna wiedza na temat właściwości sprężystych jest nieodzowna w wielu zastosowaniach praktycznych, w tym modelowaniu fenomenologicznym mechanizmów wzmacniania. Większość problemów naukowych poruszonych w omawianym projekcie jest blisko związana z ważnymi problemami przemysłowymi. Przykładowo uważa się, że zjawisko segregacji nierównowagi jest w dużej mierze odpowiedzialne za zmniejszenie ilości Cr na granicach ziarna w austenitycznej stali nierdzewnej pod wpływem napromieniowania, czego efektem jest pękanie korozyjne naprężeniowe, występujące często w awariach elektrowni jądrowych. Informacje na temat właściwości elektronicznych Fe umożliwiły przeprowadzenie szeroko zakrojonych prac interdyscyplinarnych w dziedzinie geologii. Wykazano, że przy wysokim ciśnieniu i temperaturze faza regularna przestrzennie centrowana (bcc) Fe jest dynamicznie stabilna. Co więcej dowiedziono, że właściwości bogatych w Fe stopów bcc, zawierających niewielką ilość metali lekkich, są spójne z danymi sejsmologicznymi. Sugeruje to, że stopy Fe o strukturze bcc mogą być modelami rdzenia Ziemi. Projekt ALPAM rzucił światło na właściwości i procesy w skali atomowej, rządzące obserwowanymi właściwościami makroskopowymi materiałów, a także umożliwił przygotowanie wyczerpujących danych do modelowania wieloskalowego. W rezultacie uzyskano szczegółowe informacje na temat zależności między składem, strukturą i własnościami, parametrów interakcji między defektami oraz mechanizmów atomowych procesów w próbkach faz stopów.
Słowa kluczowe
Fizyka atomowa, materiały zaawansowane, ALPAM, stopy, metale, właściwości sprężyste