Структурная наследственность при аморфизации и кристаллизации жидкостей и мягкой материи

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-12-00438

НазваниеСтруктурная наследственность при аморфизации и кристаллизации жидкостей и мягкой материи

Руководитель Щелкачев Николай Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова аморфизация, кристаллизация, структурная наследственность, расплавы, фазовые переходы, переохлаждение, полиморфные превращения, молекулярная динамика, корреляционный функции, квазикристаллы, износостойкие материалы, аналитическое продолжение

Код ГРНТИ31.15.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одна из основных задач физики конденсированного состояния – предсказание структуры твёрдых фаз при заданных термодинамических параметрах (температуре, давлении, химическом составе и т.д.). В настоящее время наиболее интенсивно в этом направлении развиваются методы компьютерного моделирования, основанные на эволюционных алгоритмах, например, такие, как USPEX. Эти методы максимально эффективны при низких и сверхнизких температурах, когда можно ограничиться основным состоянием системы. Для исследования твердых фаз при конечных температурах, например, в случае полиморфных превращений, необходимо, помимо возбуждённых энергетических состояний системы, еще и аккуратно учитывать энтропию, что сильно усложняет «ab-initio» расчёты. В результате исследование фазовой диаграммы даже в сравнительно узком диапазоне параметров требует значительных вычислительных ресурсов. Чтобы предсказывать структуру твердых фаз в широком диапазоне параметров, можно пойти другим путем: исследовать структурную наследственность, связывающую высокотемпературные (неупорядоченные) и низкотемпературные (упорядоченные) фазы. Под структурной наследственностью в данном случае понимается наличие «генетической» взаимосвязи между структурой неупорядоченных и упорядоченных фаз. Изучение такой наследственности позволит предсказывать симметрию упорядоченных фаз по экспериментально измеренным структурно-чувствительным характеристикам неупорядоченных, таким, например, как плотность и вязкость, данные о температурном и концентрационном поведении теплоемкости, рентгеноструктурные данные. С точки зрения компьютерного моделирования, такой подход проще, так как молекулярно-динамические расчеты неупорядоченных фаз («жидкостей»), в том числе «ab-initio», требуют, как правило, умеренных компьютерных ресурсов, возможно осуществить такие расчеты в широком диапазоне параметров за разумное время. В этом случае расчеты сходятся быстрее, и, кроме того, нет необходимости генерировать и перебирать конденсированные фазы разной симметрии, считать энтропию и искать среди фаз наиболее выгодную с точки зрения термодинамического потенциала. Данный проект направлен на разработку методов предсказания структуры твердых фаз, основанных на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей описанной выше структурной наследственности. Нами уже были получены важные предварительные результаты при исследовании однокомпонентных систем с парными изотропными двухмасштабными потенциалами. Оказалось, что для таких систем симметрия низкотемпературной кристаллической фазы может быть предсказана по парной радиальной функции распределения (структурному фактору) расплава. Было показано, что структура твердых фаз определяется значениями двух безразмерных структурных параметров жидкой фазы, характеризующих наличие двух характерных длин связей: соотношением длин этих связей и их эффективной концентрацией. Также было показано, что значения данных эффективных параметров является универсальным и не зависит от потенциала взаимодействия. То есть, определив значения параметров для какой-либо кристаллической фазы на примере любой модельной системы, можно в дальнейшем использовать их для предсказания образования данной фазы в любых других двухмасштабных системах. В рамках проекта планируется дальнейшее развитие данной идеи, как в методологическом аспекте, так и в области применения к системам с неизотропными потенциалами, а также реальным многокомпонентным системам, в том числе сплавам Al-Cu-TM (Fe, Co, Ni), для которых будут проведены экспериментальные исследования в рамках проекта. Изучение особенностей структуры жидкого состояния методами рентгеноструктурного анализа (РСА) и исследование структурно-чувствительных свойств и процессов фазообразования при затвердевании расплавов выбранных тройных систем позволят подтвердить полученные результаты теоретических исследований. Основной методологической особенностью проекта с точки зрения теоретических методов будет использование нового подхода к анализу структурных корреляционных функций, основанного на аналитическом продолжении данных функций в комплексную плоскость и изучении их особенностей, например, полюсов. Данный метод был разработан в нашем коллективе (см. научный задел) и позволяет выявлять скрытые особенности корреляционных функций, анализ которых обычными методами затруднителен. Так, например, данный метод позволяет исследовать аналитическую структуру особых точек корреляционных функций. Другим приложением метода является возможность разделения пиков корреляционных функций. Данное приложение метода особенно актуально при исследовании структурных корреляторов многокомпонетных неупорядоченных систем и систем с неизотропными потенциалами, которые часто имеют сложную структуру пиков. Помимо предсказания структуры кристаллических фаз, предлагаемые методы будут использоваться для изучения стеклования (аморфизации). Здесь можно выделить две основные фундаментальные задачи: 1) оценка стеклообразующей способности системы по структуре жидкой фазы; 2) определение температуры стеклования путем экстраполяции данных, полученных для жидкого состояния, методом аналитического продолжения и выявления особенностей аналитического продолжения в комплексной плоскости. Дело в том, что до сих пор не существует однозначного алгоритма определения температуры стеклования системы. Один из известных способов подразумевает аппроксимацию (и последующую экстраполяцию в низкие температуры) температурной зависимости вязкости или коэффициента диффузии жидкости законом Фогеля-Фульчера (некая экспоненциальная зависимость). Другой способ подразумевает аппроксимацию (и экстраполяцию) вязкости степенной функцией, апеллируя к методу связанных мод. Оба этих эмпирических способа обычно дают оценки температуры стеклования, сильно отличающиеся количественно, и считается, что истинная температура аморфизации лежит «где-то посередине». Предлагаемый нами подход, основанный на численном аналитическом продолжении, позволит, возможно, впервые однозначно определить температуру стеклования системы. При экспериментальных исследованиях будут использованы прецизионные, хорошо апробированные методы (РСА, вискозиметрия, методы термического анализа, металлография, в том числе оптическая, и электронная микроскопия). В качестве объектов исследования выбраны простые тройные системы из широко используемых, сравнительно недорогих металлов, имеющие различные равновесные кристаллические и квазикристаллические фазы (икосаэдрическая i-фаза в системе Al-Cu-Fe, декагональная в системе Al-Cu-Co). В условиях сверхбыстрой закалки выбранные сплавы легко аморфизуются. Экспериментальные исследования взаимосвязи между структурным состоянием жидкости и количеством аморфной фазы и ее термической стабильностью позволят подтвердить состоятельность предложенных теоретических методов при изучении процессов стеклования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Левашов В.А. Green-Kubo stress correlation function at the atomic scale and a long-range bond-orientational ordering in a model liquid Physical Review E, том 98, стр. 042904 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevE.98.042904

2. Щелкачев Н. М., Рыльцев Р. Е., Костенко М. Г., Ремпель А. А. Стабильность бездефектных структур моноксида титана при высоких давлениях Письма в ЖЭТФ, том 108, выпуск 7, стр. 510–515 (год публикации - 2018)
10.1134/S0370274X18190104

3. Клумов В.А., Рыльцев Р.Е., и Щелкачев Н.М. Polytetrahedral structure and glass-forming ability of simulated Ni–Zr alloys Journal of Chemical Physics, 149, 134501 (2018) (год публикации - 2018)
10.1063/1.5041325

4. Рыльцев Р.Е., Клумов Б.А., Щелкачев Н.М., и Шуняев К.Ю. Nucleation instability in supercooled Cu–Zr–Al glass-forming liquids Journal of Chemical Physics, том 149, стр. 164502 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5054631

5. Сидоров В. А., Петрова А.Е., Щелкачев Н. М., Магницкая М. В., Фомичева Л. Н., Саламатин Д. А., Николаев А. В., Зибров И. П., Вильхем Ф., Рогалев А., и Цвященко А. В. Magnetic, electronic, and transport properties of the high-pressure-synthesized chiral magnets Mn1−xRhxGe Physical Review B, том 98, стр. 125121 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.125121

6. Щелкачев Н.М., Рыльцев Р.Е., Магницкая М.В., Ремпель А.А. Stability of vacancy-free crystalline phases of titanium monoxide at high pressure and temperature European Physical Journal: Special Topics (EPJ ST) (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900113-5

7. Левашов В.А., Рыльцев Р.О., Щелкачев Н.М. Anomalous behavior and structure of a liquid of particles interacting through the harmonic-repulsive pair potential near the crystallization transition Soft Matter, 15,8840-8854 (год публикации - 2019)
10.1039/c9sm01475f

8. Щелкачев Н.М., Магницкая М.В., Цвященко А.В. Ab initio study of noncentrosymmetric transition-metal monogermanide B20-RhGe synthesized at high temperature and pressure European Physical Journal: Special Topics (EPJ ST) (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900114-y

9. Щелкачев Н.М., Магницкая М.В, Клементьев Е.С., Алексеев П.А. Ab initio study of lattice dynamics of dodecaborides ZrB12 and LuB12 Journal of Surface Investigation (год публикации - 2020)

10. Камаева Л.В., Стерхова В., Ладьянов В.И., Рыльцев Р.Е., Щелкачев Н.М. Phase selection and microstructure of slowly solidified Al-Cu-Fe alloys Journal of Crystal Growth, 531, 125318 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2019.125318

11. Рыльцев Р.Е., Сон Л.Д., Шуняев К.Ю., Васин М.Г. Variable reactivity and phase separation in patchy particle systems Molecular Physics, Vol. 117, No. 20, pp. 2865–2872 (2019) (год публикации - 2019)
10.1080/00268976.2019.1589589

12. Куликова Т.В., Майорова А.В., Рыльцев Р.Е., Шуняев К.Ю. Chemical interaction, thermodynamics and glass-forming ability of Cu-Zr-Al melts Physica B: Condensed Matter, vol. 558 pp. 82–85 (2019) (год публикации - 2019)
10.1016/j.physb.2019.01.032

13. Валлиулин В.Е.,Михеенков А.В., Щелкачев Н.М.,Барабанов А.Ф. Continuous transformation between ferro and antiferro circular structures in J1−J2−J3 frustrated Heisenberg model J. Phys.: Condens. Matter, том 31,выпуск 45, (год публикации - 2019)
10.1088/1361-648x/ab35cc

14. Каракозов A.E., Магницкая M.В., Кадыров Л.С., Горшунов Б.П. Doping evolution of the gap structure and spin-fluctuation pairing in Ba(Fe_1−xCo_x)2As2 superconductors Physical Review B, том. 99, стр. 054504 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevB.99.054504

15. Щелкачев Н.М., Магницкая M.В., Сидоров В.A., Фомичева Л.Н., Петрова A.E., Цвященко A.В. Theoretical and experimental study of high-pressure synthesized B20-type compounds Mn1−x (Co,Rh)x Ge Pure and Applied Chemistry, том. 91, выпуск 6, стp. 941-955 (год публикации - 2019)
10.1515/pac-2018-1101

16. Щелкачев Н., Камаева Л., Рыльцев Р., Ладьянов В. Viscosity, undercoolability and short-range order in quasicrystal-forming Al-Cu-Fe melts Journal of Molecular Liquids, Journal of Molecular Liquids (год публикации - 2019)
10.1016/j.molliq.2019.112207

17. Рыльцев Р.Е., Щелкачев Н.М. Polytetrahedral short-range order and crystallization stability in supercooled Cu64.5Zr35.5 metallic liquid Journal of Crystal Growth, vol. 531, 125374 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2019.125374

18. Камаева Л.В, Рыльцев Р.Е, Ладьянов В.И., Щелкачев Н.М. Viscosity, undercoolability and short-range order in quasicrystal-forming Al-Cu-Fe melts Journal of Molecular Liquids, vol.299, p.112207 (год публикации - 2020)
10.1016/j.molliq.2019.112207

19. Камаева Л.В, Рыльцев Р.Е, Суслов А.А., Щелкачев Н.М. Effect of copper concentration on the structure and properties of Al-Cu-Fe and Al-Cu-Ni melts Journal of Physics: Condensed Matter, vol.32, no.22, pp.224003.1-224003.9 (год публикации - 2020)
10.1088/1361-648X/ab73a6

20. Камаева Л.В, Стерхова И.В., Ладьянов В.И., Рыльцев Р.Е, Щелкачев Н.М. Phase selection and microstructure of slowly solidified Al-Cu-Fe alloys Journal of Crystal Growth, vol.531, pp.125318.1-125318.4 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2019.125318

21. Рыльцев Р.Е, Щелкачев Н.М. Polytetrahedral short-range order and crystallization stability in supercooled Cu64.5Zr35.5 metallic liquid Journal of Crystal Growth, vol.531, pp.125374.1-125374.6 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2019.125374

22. Левашов В.А., Рыльцев Р.Е, Щелкачев Н.М. Structure of the simple harmonic-repulsive system in liquid and glassy states studied by the triple correlation function Journal of Physics: Condensed Matter, vol.33, no.2, pp.025403.1-025403.14 (год публикации - 2021)
10.1088/1361-648X/abb516

23. Николаев А.В., Щелкачев Н.М., Саламатин Д.А., Цвященко А.В. Towards an ab initio theory for the temperature dependence of electric field gradients in solids: Application to hexagonal lattices of Zn and Cd Physical Review B, vol.101, no.6, pp.064310.1-064310.12 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.101.064310

24. Николаев А.В., Щелкачев Н.М., Бибиков А.В., Саламатин Д.А., Цвященко А.В. Ab initio based description of the unusual increase of the electric field gradient with temperature at Ti sites in rutileTiO2 Physical Review B, vol.102, no.17, pp.174305.1-174305.8 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.174305

25. Щелкачев Н.М., Магницкая М.В., Цвященко А.В. Ab initio study of noncentrosymmetric transition-metal monogermanide B20-RhGe synthesized at high temperature and pressure European Physical Journal Special Topics, vol.229, pp.167–178 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900114-y

26. Щелкачев Н.М., Рыльцев Р.Е., Магницкая М.В., Ремпель А.А. Stability of vacancy-free crystalline phases of titanium monoxide at high pressure and temperature European Physical Journal Special Topics, vol.229, pp.179–185 (год публикации - 2020)
10.1140/epjst/e2019-900113-5

27. Щелкачев Н.М., Магницкая М.В., Клементьев Е.С., Алексеев П.А. Ab initio study of lattice dynamics of dodecaborides ZrB12 and LuB12 Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, vol.14, pp.S19-S21 (год публикации - 2020)
10.1134/S1027451020070083

28. Саламатин Д.А., Мартин Н., Сидоров В.А., Щелкачев Н.М., Магницкая М.В., Петрова А.Е., Зибров И.П., Фомичева Л.Н., Гуо Ж., Хуанг Ч., Сун Л., Цвященко А.В. Dualism of the 4f electrons and its relation to high-temperature antiferromagnetism in the heavy-fermion compound YbCoC2 Physical Review B, vol.101, no.10, pp.100406.1-100406.5(R) (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.101.100406

29. Саламатин Д.А., Цвященко А.В., Величков А., Магницкая М.В., Щелкачев Н.М., Сидоров В.А., Фомичева Л.Н., Михин М.В., Козин М.Г., Николаев А.В., Ромашкина И.Л., Будзински М. Hyperfine field studies of the high-pressure phase of noncentrosymmetric superconductor RhGe (B20) doped with hafnium Journal of Alloys and Compounds, vol.850, pp.156601.1-156601.10 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2020.156601

30. Упоров С.А., Рыльцев Р.Е, Быков В.А., Упорова Н.С., Эстемирова С.Х., Щелкачев Н.М. Glass-forming ability, structure and magnetocaloric effect in Gd-Sc-Co-Ni-Al bulk metallic glasses Journal of Alloys and Compounds, vol.854, pp.157170.1-157170.10 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2020.157170

31. Стерхова И.В., Камаева Л.В, Ладьянов В.И., Щелкачев Н.М. Role of Ta and Nb alloying elements on the viscosity of Fe-B-Si melts Journal of Molecular Liquids, p.114636 (год публикации - 2020)
10.1016/j.molliq.2020.114636

32. Анкудинов В.Е., Галенко П.К. Growth of different faces in a body centered cubic lattice: A case of the phase-field-crystal modeling Journal of Crystal Growth, vol.539, pp.125608.1-125608.5 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jcrysgro.2020.125608

33. Валиулин В.Э., Михеенков А.В., Щелкачев Н.М., Кугель К.И. Quantum entanglement, local indicators, and the effect of external fields in the Kugel-Khomskii model Physical Review B, vol.102, no.15, pp.155125.1-155125.10 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.155125

34. Анкудинов В.Е., Стародумов И.О., Галенко П.К. About one unified description of the first‐ and second‐order phase transitions in the phase‐field crystal model Mathematical Methods in the Applied Sciences, pp.1-10 (год публикации - 2020)
10.1002/mma.6801

35. Балякин И.А., Ремпель С.В., Рыльцев Р.Е., Ремпель А.А. Deep machine learning interatomic potential for liquid silica Physical Review E, vol.102, №5, pp.052125.1-052125.7 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevE.102.052125

36. Анкудинов В.Е., Элдер К.Р., Галенко П.К. Traveling waves of the solidification and melting of cubic crystal lattices Physical Review E, vol.102, №6, p.062802 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevE.102.062802

Публикации