4 февраля 2022, 17:00 Анна Солдатенко

Ученые предложили способ расчета нанотвердости

Математическое моделирование
Материаловедение
Новые методики
Нанотехнологии
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.

Профили учёных из новости

Лаборатории из новости

Industry-Oriented Computational Discovery
Сколковский институт науки и технологий
Сколковский институт науки и технологий
Лаборатория занимается проведением компьютерного поиска новых материалов с использованием современных методов моделирования, включающих квантовохимические методы вычислений, машиннообучаемые потенциалы, работу с данными, искусственный интеллект. Все проекты направлены на дальнейшую практическую реализацию в индустрии.
"Умные" материалы
Материаловедение
Машинное обучение
Лаборатория цифрового материаловедения
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Лаборатория цифрового материаловедения занимается разработкой и применением квантово-химических методов моделирования различных систем на молекулярном уровне. Наши исследования нацелены на решение широкого круга задач, связанных с исследованием механизмов химических реакций, свойств кристаллов, наноматериалов и биомолекул. Научная группа, состоящая из высококвалифицированных ученых, научных сотрудников и студентов, работает с использованием передовых методов квантово-химического моделирования и разнообразного программного обеспечения, такого как VASP, Siesta, LAMMPS, Gaussian и т.д. Научно-исследовательская деятельность лаборатории включает в себя проведение экспериментов и анализ результатов с использованием вычислительной химии и методов квантовой механики. Мы занимаемся моделированием химических реакций, количественной оценкой стабильности, прогнозированием свойств материалов, анализом электронных структур, определением параметров кристаллических и молекулярных структур, исследованием связывания лекарственных препаратов с носителями, и тому подобное.
Молекулярное моделирование
Нанотехнологии
Физика конденсированного состояния

Публикации из новости

Читайте также

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%
Материаловедение
Нанотехнологии
Новые методики
Электродинамика
17 июля 2023
Новый кристалл проявил свойства двумерных и слоистых материалов
Оптические свойства могут сделать его перспективным материалом для диэлектрической нанофотоники
Материаловедение
Нанотехнологии
Нанофотоника
Новые методики
Оптика
3 февраля 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
Математическое моделирование
Материаловедение
Наномедицина
Нанотехнологии
Нанофотоника
Оптика
17 января 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
Материаловедение
Нанотехнологии
Новые методики
25 ноября 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.
Математическое моделирование
Материаловедение
Нанотехнологии
Углеродные материалы
7 мая 2022
Покрытие с наностолбиками защитит силиконовые импланты от бактерий
Ученые из МФТИ, Института биохимии и генетики УФИЦ РАН и Тамбовского государственного технического университета разработали покрытия, которые обезопасят от микробного загрязнения импланты, вживляемые в человеческий организм.
"Умные" материалы
Материаловедение
Нанотехнологии
23 августа 2023