Modelowanie materiałów w skali atomowej
Przez ostatnie lata metoda pola fazowego stała się metodą z wyboru w modelowaniu złożonych mikrostruktur podczas przemian fazowych, czyli zmian układu atomów. Pozwala ona na charakteryzowanie mikrostruktur i ich ewolucji w czasie i przestrzeni w realistycznych warunkach przy pomocy zmiennych konserwatywnych i niekonserwatywnych. Celem finansowanego przez UE projektu PHASEFIELD (Approximations to dynamic density functional theory - Phase field simulations on atomic scales) było zwiększenie czasoprzestrzennej skali symulacji w modelowaniu samoorganizacji kropek kwantowych i interakcji molekularnych w urządzeniach mikrocieczowych. Odnotowano kilka kluczowych osiągnięć w tym zakresie. W omawianej metodzie mikrostrukturę materiału krystalicznego modeluje się z użyciem równań różniczkowych cząstkowych wyższego rzędu. Zasadniczo nie da się ich rozwiązywać analitycznie, ale naukowcy opracowali narzędzia umożliwiające ich rozwiązywanie numeryczne. Równania ciągłe zostały zastąpione równaniami nieciągłymi, a takt został przystosowany do uzyskiwania użytecznych rozwiązań. Ponadto zespół projektu PHASEFIELD zbadał przybliżenia poczynione przy tworzeniu modelu pola fazowego mikrostruktury krystalicznej, przy wykorzystaniu teorii funkcjonału gęstości atomowej. Połączenie formalizmu teorii klasycznej z najnowszym rozszerzeniem modelowania pola fazowego ma na celu opracowanie modeli wieloskalowych. Mimo znacznych postępów w tym zakresie wciąż pozostaje wiele przeszkód do pokonania. Trzeba zbadać, na ile dokładnie modelowanie mikrostruktur pozwala ustalić sposób obchodzenia się z materiałami. Jest to kluczowy element kontroli jakości materiałów, określający ich końcową funkcjonalność. Na przykład, struktura krystaliczna i zawartość zanieczyszczeń w krzemie jest wskaźnikiem sprawności układów elektronicznych. Jak dotąd postęp technologiczny zawsze kojarzony był ze zdolnością do wytwarzania nowych materiałów o skomplikowanej mikrostrukturze i wykorzystania ich właściwości. Modelowanie prowadzone w ramach projektu PHASEFIELD może w najbliższej przyszłości znacząco wpłynąć na sposób projektowania i produkowania materiałów.
Słowa kluczowe
Skale atomowe, mikrostruktura, PHASEFIELD, teoria funkcjonału gęstości, materiały krystaliczne
