4 February 2022, 17:00 Анна Солдатенко

Ученые предложили способ расчета нанотвердости

Ученые предложили способ расчета нанотвердости
Графическая схема применения нового подхода

Твердость — одно из основных свойств вещества, особенно важное в разработке новых промышленных материалов, например, для изготовления резцов. Традиционно эту характеристику измеряют путем вдавливания в образец специального индентора: воздействие осуществляется с определенной силой, а потом по форме, глубине и размерам отпечатка определяют твердость.

Интересно, что получаемое значение зависит от множества параметров при измерениях. Так, если на макромасштабе можно получить значение, которое будет соответствовать измерениям других аналогичных образцов на других приборах и другими научными группами, то на наноуровне все не так просто. Особую важность имеет подготовка материала к исследованию (часто осуществляемая вручную) и точность оборудования. В некоторых ситуациях измерение оказывается и вовсе невозможным.

«Альтернативой традиционным подходам могут стать вычислительные, когда мы моделируем процесс индентирования, то есть экспериментального измерения, на компьютере. При этом крайне важным является корректно описать межатомные взаимодействия в процессе моделирования. Таким образом, отпадает необходимость экспериментально проверять все материалы-кандидаты на дорогой установке, пока мы не узнаем, какой из них подходит хотя бы теоретически под конкретные задачи», — рассказывает Евгений Подрябинкин, кандидат физико-математичских наук, старший научный сотрудник Сколтеха.

Сотрудники Сколтеха, НИТУ «МИСиС» и ФГБНУ ТИСНУМ воспроизвели процесс наноиндентирования и смоделировали то, что происходит с исследуемым образцом на атомарном уровне. Точность расчетов в первую очередь зависит от правильного описания межатомного взаимодействия в исследованных системах. Для этого были использованы машинно-обучаемые потенциалы, которые позволяют получить высокую точность расчетов при значительном выигрыше в производительности. В своей работе авторы применили подход «обучения на лету», который заключается в дообучении потенциала непосредственно в процессе моделирования. Происходит это путем проведения некоторого количества квантовохимических расчетов на локальных сильно деформированных областях. При этом используется теория функционала электронной плотности — один из наиболее точных методов расчета электронной структуры для систем с множеством частиц, широко применяемый в материаловедении.

Исследователи опробовали свой подход в определении нанотвердости нескольких веществ, состоящих из одного или нескольких сортов атомов: алмаза, карбида кремния, нитрида алюминия, гетероалмаза BC2N и кремния. Каждый из «образцов» индентировали вдоль различных кристаллографических направлений, чтобы также проверить, насколько методика подходит для расчета анизотропии нанотвердости кристаллов, то есть когда вдоль разных направлений значение будет разным. Полученные величины нанотвердости оказались близки к измеренным экспериментально самими авторами и их коллегами.

«Применение машинного обучения в материаловедении позволяет решать многие проблемы, к которым не подступиться, имея в арсенале лишь традиционные методы. Наш подход позволит тестировать новые материалы еще на этапе их компьютерного моделирования, делая разработку менее ресурсозатратной. Он учитывает анизотропию материала, может быть легко перенесен на другой объект. Это очень удобно, когда нужно сравнивать свои расчеты с расчетами коллег, которые могли использовать иные модели», — подводит итог Александр Квашнин, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Сколтеха.

News article profiles

News article labs

Industry-Oriented Computational Discovery
Skolkovo Institute of Science and Technology
Skolkovo Institute of Science and Technology
The laboratory is engaged in conducting a computer search for new materials using modern modeling methods, including quantum chemical computing methods, machine-learning potentials, working with data, and artificial intelligence. All projects are aimed at further practical implementation in the industry.
"Smart" materials
Machine learning
Materials Science
Laboratory of Digital Materials Science
National University of Science & Technology (MISiS)
National University of Science & Technology (MISiS)
The Laboratory of Digital Materials Science is engaged in the development and application of quantum chemical methods for modeling various systems at the molecular level. Our research is aimed at solving a wide range of problems related to the study of the mechanisms of chemical reactions, properties of crystals, nanomaterials and biomolecules. The scientific group, consisting of highly qualified scientists, researchers and students, works using advanced methods of quantum chemical modeling and a variety of software such as VASP, Siesta, LAMMPS, Gaussian, etc. The laboratory's research activities include conducting experiments and analyzing results using computational chemistry and quantum mechanics methods. We are engaged in modeling chemical reactions, quantifying stability, predicting the properties of materials, analyzing electronic structures, determining the parameters of crystalline and molecular structures, studying the binding of drugs to carriers, and the like.
Condensed Matter Physics
Molecular modeling
Nanotechnology

News article publications

Read also

Электродинамическая ловушка помогла охарактеризовать четыре свойства частиц
Новый недорогой подход объединил в себе сразу несколько проверенных методик и показал свою эффективность: погрешность определения массы составила примерно 10%, размера и заряда — 16%, а плотности — 18%
Electrodynamics
Materials Science
Nanotechnology
New techniques
17 July 2023
Новый кристалл проявил свойства двумерных и слоистых материалов
Оптические свойства могут сделать его перспективным материалом для диэлектрической нанофотоники
Materials Science
Nanophotonics
Nanotechnology
New techniques
Optics
3 February 2023
Тонкий слой кремнезема позволил золотым наночастицам «сиять» ярче
Наночастицы золота, покрытые тонким слоем кремнезема, лучше рассеивают свет, чем те, что имеют плотную «шубу», а значит, их можно использовать как систему адресной доставки лекарств с «маячком» для слежения
Materials Science
Mathematical modeling
Nanomedicine
Nanophotonics
Nanotechnology
Optics
17 January 2023
Ученые предложили новый формат композитов из углеродных нанотрубок
Они спрессовали порошок нанотрубок в брикеты и продемонстрировали, что в этом случае его свойства не ухудшаются, но такая форма гораздо удобнее и безопаснее
Materials Science
Nanotechnology
New techniques
25 November 2022
Ученые исследовали свойства лезвийных гибридов из графена и углеродной нанотрубки
Получающиеся в итоге квази-1D-структуры не только сочетают в себе свойства обоих компонентов, но и обнаруживают синергетический эффект. Он заключается в значительном улучшении некоторых характеристик, что делает подобные гибриды перспективными при создании новейших опто- и наноэлектронных устройств.
Carbon materials
Materials Science
Mathematical modeling
Nanotechnology
7 May 2022
Обнаружены новые особенности спирального антиферромагнетика GdRu2Si2
Международная команда физиков изучила энергетическую структуру спирального антиферромагнетика GdRu2Si2. Были обнаружены новые особенности, что позволит улучшить приборы, использующие магнитную память.
Materials Science
Nanotechnology
Spectroscopy
26 December 2023