Modellizzazione di materiali su scala atomica
Negli ultimi anni, l’approccio mediante campo di fase è diventato il metodo scelto per la modellizzazione di microstrutture complesse, durante le trasformazioni di fase, vale a dire i cambiamenti nella disposizione degli atomi. Ciò consente la descrizione di microstrutture e la loro evoluzione nel tempo e nello spazio in condizioni realistiche, utilizzando variabili conservative e non conservative. Il progetto PHASEFIELD (Approximations to dynamic density functional theory - Phase field simulations on atomic scales), finanziato dall’UE, è stato dedicato alle crescenti scale di grandezza relative a lunghezza e tempo delle simulazioni, ai fini della modellizzazione relativa all’auto-assemblaggio dei punti quantici e delle interazioni molecolari, nell’ambito dei dispositivi di microfluidica. Numerosi traguardi sono stati raggiunti in questa direzione. Utilizzando l’approccio mediante campo di fase, la microstruttura di un materiale cristallino viene modellizzata tramite equazioni differenziali di ordine elevato, alle derivate parziali. Generalmente, tali equazioni non possono essere risolte in modo analitico, ma i ricercatori hanno sviluppato degli strumenti per risolverle a livello numerico. Le equazioni continue sono state sostituite con i loro omologhi discreti e il passo temporale è stato adattato per ottenere soluzioni significative. Inoltre, il team PHASEFIELD ha studiato le approssimazioni effettuate per derivare il modello relativo al campo di fase relativo alla microstruttura dei cristalli, utilizzando la teoria del funzionale della densità atomica. Lo scopo di collegare il formalismo della teoria classica con la nuova estensione della modellizzazione a campo di fase è quello di sfruttare la connessione al fine di sviluppare modelli multi-scala. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi, rimangono molte sfide. È necessario valutare esattamente quanto la modellizzazione microstrutturale sia in grado di rivelare il modo in cui i materiali devono essere trattati. Questo è un elemento chiave nel controllo della qualità relativa ai materiali, il quale definisce la funzionalità finale degli stessi. Per esempio, il contenuto di impurità e la struttura cristallina del silicio ne determinano le relative prestazioni in elettronica. Fino ad oggi, il progresso tecnologico è sempre stato legato alla capacità di sintetizzare nuovi materiali con microstrutture complesse organizzate e sfruttare le loro proprietà. La modellizzazione su scala atomica perseguita nell’ambito del progetto PHASEFIELD dovrebbe avere un impatto significativo sul modo in cui i materiali verranno progettati e realizzati in un prossimo futuro.
Parole chiave
Scale di grandezza atomica, microstruttura, PHASEFIELD, teoria del funzionale della densità, materiale cristallino
