Mnohoúrovňové (multiscale) počítačové modelování v oblasti chemie a fyziky pevných látek a v materiálových vědách Prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc.^a,b肖博 (菖蒲) ^a Dept. of Chemistry, Masaryk Univ., Brno, Czech Rep. ^b Inst. Phys. Materials, Acad. Sci. Czech Rep., Brno, Czech Rep. Supported by: Grant Agency of Czech Rep., Grant Agency of Acad. Sci. of Czech Rep., Ministry of Education of the Czech Republic, European Union (Directorate XII), U.S. Department of Energy Stručný přehled presentace • Čím se zabýváme, kde leží zajímavé problémy ● důležité jevy na různých úrovních ● problém: přenos informace mezi úrovněmi 2. Úloha elektronové struktury 3. Ilustrativní příklady 4. Finanční zajištění výzkumu, podpora doktorandů A typical fracture problem Multiscale modelling Electronic level Most of the properties of solids: ● can be traced to the behavior of electrons, - the "glue" that holds atoms together to form a solid Most ES calculations: - routinely performed within the framework of density functional theory (Hohenberg- Kohn-Sham 1964) - complicated many-body motion of all electrons replaced by an equivalent but simpler problem ٭ of a single electron ٭ moving in an effective potential ------------------------------------------------- Walter Kohn and John Pople-Nobel Prize in Chemistry 1998 Grain boundaries in nanocrystalline Ni Motivation: to understand the signal from the positron annihilation spectroscopy in nanocrystalline metals n positrons probe open-volume defects such as vacancies, their clusters, grain boundaries etc. n the electronic density in these regions is “less-than-average” n they are attractive for a positron, their lifetime is longer there Basics of positron annihilation n positron is an antiparticle of an electron n theoretically predicted 1928 (Dirac), experimentally discovered 1932 (Anderson) n positrons have the same mass and lifespan as electrons, but opposite electric charge n if a positron meets an electron: annihilation process takes place: n e^+ + e^– => 2γ n E(2γ) = 2 m[0]c^2 + E(e^+)+ E(e^– ) n m[0]c^2 = 0.511 MeV n m[0]c – rest mass of the electron (and of the positron) n in our world, high density of electrons attracted to a positron=> the typical positron lifetime is 100-1000 ps A positron in our world Electrons are attracted by a positron The positron annihilation event Scheme of a positron annihilation experiment Generation of a computer sample of nanocrystalline Ni: (H. van Swygenhoven et al.) n simulation cell volume filled by nanograins (seeds) with random location and orientation n grains allowed to grow until they touched n sample relaxed by molecular dynamics for 50-100 ps at 300 K (central-force potentials, magnetism not included) n => computer sample of n-Ni, 1.2 million of atoms, 15 grains, density 96 % of bulk Ni, high-angle grain boundaries present n so far, only several GBs and one triple junction analyzed High-angle grain boundary in nanocrystalline Ni -- calculated positron lifetimes only slightly higher than the bulk value (100 ps) -- they correspond to shallow traps (marked by orange spheres) -- one vacancy was found (=> vacancy concentration is about 1 ppm) Triple junction in nanocrystalline Ni Transition-metal disilicides n promising in structural applications n bonding has mixed metallic and covalent character n brittle n various structures: tetragonal C11[b] (MoSi[2], WSi[2]), hexagonal C40 (NbSi[2], TaSi[2], VSi[2], CrSi[2]), orthorombic C54 (TiSi[2]) Dohledné perspektivy studia soustav kovů a jejich slitin (nové materiály) n Rovnovážné stavy u Pokračování ve vývoji konzistentních termodynamických databází (ekonomický zájem, společenská objednávka, progresivní skupiny materiálů,…). u Plánovaný experiment (ověřování predikcí fázových diagramů) n Kinetika u Tvorby kinetických databází, experiment u 3D simulace (zahrnutí distribuce velikosti, tvar fází, … ) u Zahrnutí jiných mechanismů difůze (nizké teploty, dráhy vysoké difúzivity,..) Tvůrčí úkoly n Rovnovážné stavy u Výpočty fázové stability z prvních principů u Propojen fázový diagram, fázová mikrostruktura a fyzikální vlastnosti n Kinetika u Nerovnovážný potenciál na mezifází u Nukleační mechanismy, stavy a procesy za nízkých teplot Současné směry společenské objednávky v sledované oblasti Další aplikace Finanční zajištění výzkumu n výzkumný záměr MŠMT, výzkumný záměr AV ČR (2005-2011) n 3 projekty GA ČR (2005-2008) n 1 projekt GA AV (2003-2007, požádáme o nový) n 2 projekty COST (2006-2009) n mezinárodní spolupráce: u University of Pennsylvania, Philadelphia, USA u Max-Planck-Institute for Iron Research, Duesseldorf, SRN u Tohoku University, Sendai, Japonsko u University of Vienna, Rakousko u Evropské projekty (COST) Celková částka cca 2,2 MKč ročně Podpora spolupracujících studentů n speciální doktorský projekt od GA ČR určený výlučně pro materiální podporu doktorandů; na každého doktoranda vychází u až 40.000 Kč dodatečného stipendia ročně u až 30.000 Kč dodatečného cestovného ročně t typicky 2 mezinárodní akce ročně n další odměny (až 10.000 Kč ročně) z běžících grantových projektů n zahraniční studijní pobyty během doktorského studia u půlroční na některých spolupracujících pracovištích u short-term scientific missions (1 týden – 1 měsíc) po celé Evropě n výborné pracovní uplanění po ukončení magisterského a doktorského studia u post-doktorátní pobyty na předních světových pracovištích t University of Uppsala, Švédsko t University of Louvain, Belgie t Max-Planck-Institute for Iron Research, Duesseldorf t Imperial College, London, t University of Vienna The role of ab initio calculations in multiscale modeling (I) n the importance of ab initio methods consists in - high predictivity - no adjustable parameters - benchmarks for less accurate but faster methods but they are - computationally intensive - less than 1000 non-equivalent atoms may be included The role of ab initio calculations in multiscale modeling (II) n for full understanding of various phenomena: combination of -- ab initio calculations & simpler approaches . (multiscale modelling) -- checking with experimental data n main goal: developing predictive methods and algorithms to understand the properties of realistic materials (e.g. strength, plasticity, creep, fracture)