Комп'ютерне моделювання матеріалів і наноструктур
Комп’ютерне моделювання в матеріалознавстві та фізиці наноструктур дозволяє виконувати унікальні дослідження, які важко, або взагалі неможливо реалізувати експериментальними методами. Зокрема, використання сучасних методів комп’ютерного моделювання відкриває шлях для розробки і створення нових матеріалів з потрібними набором характеристик, пошук яких експериментальними підходами займає значні часові проміжки і вимагає суттєвих ресурсів. З іншого боку, саме комп’ютерне моделювання дозволяє заглянути всередину матеріалу і зрозуміти ті чи інші процеси на атомарному рівні.
На кафедрі фізики металів функціонує наукова група, що займається комп’ютерним дизайном і моделюванням сучасних матеріалів та наноструктур. Активну участь у вказаних дослідженнях беруть студенти, які виконують кваліфікаційні роботи за даним напрямом. Для досліджень використовуються першопринципні (квантово-механічні) методами, що характеризуються високою точністю результатів і не потребують використання додаткових наближень. Зокрема, проводиться числове моделювання електронної структури та властивостей різноманітних невпорядкованих матеріалів. Саме знання особливостей електронної структури дозволяє передбачити фізичні характеристики матеріалу. Класичним прикладом зв’язку між електронною структурою та властивостями матеріалу є алмаз та графіт, котрі і відрізняються станом електронної підсистеми.
Актуальною задачею, що розв’язується на кафедрі є моделювання впливу на властивості матеріалів різноманітних дефектів: починаючи від точкових (вакансій), лінійних (дислокацій) та закінчуючи плоскими (наприклад, границі двох фаз у композитному матеріалі). Квантово-механічне вивчення дефектів є теоретичним підґрунтям для створення новітніх матеріалів для електроніки, зокрема спінтроніки, квантових комп’ютерів тощо. Цей напрямок створення нових матеріалів отримав спеціальну назву – інженерія дефектів.
Інша група задач розв’язується з використанням методів молекулярної динаміки, що дозволяють моделювати структури з більшою кількістю атомів. Зокрема, вивчаються механічні властивості наноструктур різної розмірності (нанокомпозити, нанонитки, нанопоруваті матеріали). Комп’ютерне моделювання механічної поведінки таких структур дозволяє встановити їхню стійкість до навантаження і спрогнозувати межі застосування матеріалів у пристроях електроніки, сенсорної- та оптотехніки. Як приклад, на рис.1 показано результат моделювання процесу деформації розтягу кремнієвої нанонитки.
Рис.1. Результат моделювання деформації одновісного розтягу кремнієвої нанонитки
Методами комп’ютерного моделювання на кафедрі фізики металів також досліджуються теплові властивості наноструктур. Ведеться пошук способів керування теплопровідністю нанониток і нанокомпозитів, що є вкрай необхідним для декількох практичних застосувань: 1) підвищення ефективності перетворення енергії в термоелектричних елементах; 2) створення теплоізолюючих бар’єрів в інтегральних мікросхемах і процесорах; 3) розробка ефективних тепловідводів для елементів мікро- і наноелектроніки. Методи комп’ютерного моделювання дозволяють спрогнозувати теплопровідність новітніх матеріалів і відшукати оптимальні структури для тих чи інших потреб сучасної техніки. Для прикладу на рис.2 показано результат моделювання поширення тепла в нанокомпозиті.
Рис.2. Результат моделювання процесу поширення тепла в нанокомпозиті