Ученые предложили способ расчета нанотвердости

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.