Mechanika wieloskalowa krzemu amorficznego
Krzem (Si) amorficzny składa się z atomów ułożonych losowo w ciągłą sieć, w odróżnieniu od dokładnie uporządkowanej sieci cząsteczek krzemu krystalicznego. Wraz z rosnącym zainteresowaniem zastosowaniami materiałów na bazie krzemionki amorficznej (czyli dwutlenku krzemu, SiO2) natrafiono na trudności z opisywaniem ich reakcji mechanicznych w skali atomowej. Dofinansowanie UE dla projektu PLASTAMORPH pozwoliło wspomóc tworzenie spójnego opisu teoretycznego tych materiałów w różnych skalach. Dzięki modelowaniu wieloskalowemu uzyskano wgląd w sposób kształtowania zjawisk makroskopowych przez mechanizmy fizyczne zachodzące w skali atomowej. Dokładne opisanie zachowań w małych skalach pomoże w rozwiązywaniu problemów z plastycznością (deformacją) i zmęczeniem materiału w układach na bazie krzemu. Zdefiniowano cztery cele techniczne projektu. Lepsze poznanie lokalnych reakcji mechanicznych materiałów amorficznych na bazie krzemu powinno znaleźć przełożenie na znajomość makroskopowych zachowań reologicznych. Naukowcy dążyli też do scharakteryzowania wibracji w materiałach i zbadania wpływu ciśnienia na nanofilary krzemowe, które mogą mieć obiecujące zastosowania w optoelektronice. Wykorzystując symulacje dynamiki molekularnej na bazie algorytmów dynamiki wielu ciał, badacze przeanalizowali wpływ naprężeń ścinających (w warunkach statycznych), tempa ścinania (w warunkach zmiennych w czasie) i kierunków ułożenia wiązań na reakcje mechaniczne w małej skali. Symulacje dostarczyły dowodów na występowanie dwóch typów przemieszczeń plastycznych: odizolowanych incydentów zarodkowania oraz przemieszczeń lawinowych. Badania nad właściwościami wibracyjnymi modelu krzemu amorficznego pozwoliły uzyskać wgląd w nietypowe właściwości materiałów amorficznych. Naukowcy wykazali w szczególności, że nie ma tu zastosowania klasyczny opis, według którego dowolną wibrację można opisać jako superpozycję wibracji elementarnych. Analizy liczbowe pozwoliły zbadać właściwości mechaniczne nanofilarów jako funkcję ich rozmiaru, wykazując, że spadek ciśnienia wewnętrznego jest proporcjonalny do kwadratu promienia nanofilara. Projekt PLASTAMORPH dostarczył ważnych informacji na temat zachowania materiałów na bazie krzemu amorficznego w skali atomowej, wypełniając istotną lukę w wiedzy, która dotychczas utrudniała pełne wykorzystanie takich materiałów w układach optoelektronicznych. Realna wydaje się już obecnie możliwość kontrolowania deformacji i zmęczenia materiału. Opracowane modele nie tylko utorują drogę dla tworzenia nowych materiałów na bazie krzemu amorficznego, ale również będą mieć kluczowe znaczenie dla badania amorficznych ciał stałych w różnorodnych zastosowaniach.
