Введение к работе
Диссертация посвящена разработке совокупности теоретических положений для создания моделей, основанных на атомистическом уровне описания вещества, для расчета отклика конденсированных сред на такие интенсивные энергетические воздействия как распространение ударной волны, облучение ультракороткими лазерными импульсами, радиационное повреждение продуктами деления. Рассмотренные явления объединяет необходимость исследования релаксационных процессов в сильнонеравновесных состояниях конденсированных сред. В работе показано, что с использованием современных суперкомпьютерных вычислительных возможностей для этих целей можно эффективно применять атомистические модели, основанные на классической динамике многочастичных систем. Исследованы стохастические свойства метода молекулярной динамики (МД), существенные для рассмотренных задач. Развита методика использования квантовых методов расчета электронной структуры для параметризации моделей межатомных потенциалов. Созданы и проанализированы модели элементарных процессов при фазовых переходах, пластической деформации, разрушении, радиационных повреждениях и возможные способы многомасштабного описания на их основе.
Актуальность работы. Развитие экспериментальной техники, освоение нано-, пико- и фемтосекундных диапазонов открывает возможности получения сильно неравновесных состояний конденсированных веществ. Упомянем сильные ударные волны, нагрев фемтосекундным лазером, наносекундный электровзрыв проводников и др. Последовательное теоретическое описание указанных явлений должно исходить из представлений о динамической эволюции многоатомных систем. Аналогичные задачи возникают при построении теории радиационных повреждений материалов, исходной точкой которой должно являться атомистическое описание ионных треков и/или столк- новительных каскадов.
Мощным инструментом развития теории конденсированного состояния является классический метод МД. Метод основан на решении классических уравнений движения многочастичной системы. Используя адекватные потенциалы межчастичного взаимодействия, можно исследовать на атомистическом уровне широкий класс физических явлений в жидкостях, твердых телах, неидеальной плазме, биомолекулярных системах.
Выбор модели межатомного потенциала является важнейшим элементом построения атомистической модели. В то же время создание (или выбор) модели потенциала для конкретной задачи и системы представляет собой сложную задачу. Зачастую межатомный потенциал необходимо создавать в условиях недостатка экспериментальных данных, пригодных для его параметризации. Поэтому в последнее время основным методом создания межатомных потенциалов становится параметризация по результатам первопринципных квантово-механических расчетов. Актуальными задачами в этой области являются выбор набора данных для параметризации потенциала и методы его валидации. Кроме того, интерес представляет создание межатомных потенциалов для экстремальных состояний вещества, в том числе для двухтемпе- ратурных состояний с горячей электронной компонентой.
Недостаточно изученным вопросом теории метода МД является соотношение динамических и стохастических свойств. Известно, что широкому классу динамических систем присущи хаотические свойства, в частности, экспоненциальная неустойчивость фазовых траекторий. По этой причине горизонт предсказуемости во времени динамической эволюции многочастичной системы существенно ограничен. В связи с этим становится актуальным исследование характера предсказательных возможностей метода МД при исследовании релаксационных процессов и влияния на результаты конечной точности численных методов, использующихся при проведении расчетов.
Важным потенциальным преимуществом метода МД является возможность исследования релаксационных процессов в плотных средах, исходя непосредственно из расчета динамики многочастичных систем без дополнительных предположений, присущих кинетической теории. Однако применение метода МД к изучению релаксационных процессов сравнительно менее развито по сравнению с изучением равновесных состояний.
Описание отклика конденсированных сред на интенсивные энергетические воздействия на атомистическом уровне осложняется временным и пространственными ограничениями на размер модельной системы и время расчета. Поэтому необходимым условием использования атомистического описания является выделение и изучение элементарных процессов, на которые можно "разложить" процесс отклика конденсированной среды (например, зарождение и рост полостей при разрушении). Моделирование элементарных процессов дает возможность построения многомасштабных теорий, использующих данные МД расчетов для кинетического описания рассматриваемых явлений.
Цель работы состоит: 1) анализе теоретических основ метода молекулярной динамики, 2) разработке межатомных потенциалов взаимодействия, 3) моделировании различных случаев нуклеации новой фазы при фазовых переходах первого рода, 4) построении моделей пластической деформации на основе динамики одиночных дислокаций, 5) построении моделей ударно- волнового разрушения твердых тел, 6) радиационных повреждений и 7) абляции металлов.
Научная новизна работы. Проанализированы стохастические ограничения на расчет динамических траекторий в методе МД. Показано, что метод МД является методом, который: i) сохраняет ньютоновскую динамику на времена меньше, чем время динамической памяти, и ii) производит статистическое усреднение по начальным условиям вдоль МД траектории. Установлено, что время динамической памяти растет лишь логарифмически при уменьшении уровня шумов. Получены универсальные зависимости, связывающие энтропию Крылова-Колмогорова (максимальный показатель Ляпунова), время динамической памяти и уровень шумов в системе. Введено понятие времени вычислительной памяти — предельного горизонта предсказуемости решения конечно-разностной схемы.
Развита методика создания эффективного многочастичного потенциала межатомного взаимодействия исключительно на основе ab initio расчетов. Создан межатомный потенциал для молибдена, превосходящий аналоги по общей точности описания механических и термодинамических свойств. Для моделирования разогретого плотного вещества создан межатомный потенциал для золота, параметрически зависящий от электронной температуры.
Проведено исследование кинетики объемного и поверхностного плавления, установлен столкновительно-лимитированный тип кинетики движения фронта плавления, выявлен эффект предплавления металлов в контакте с неупорядоченной средой.
Построена многомасштабная модель откола в жидкостях, основанная на расчете скорости гомогенной нуклеации полостей и скорости их роста методом МД совместно с кинетической моделью "нуклеация и рост" для определения момента откола при заданных условиях нагружения.
В рамках МД модели одиночной краевой дислокации в монокристалле алюминия рассчитана зависимость ее подвижности от температуры. Проанализировано влияние дефектов на откольную прочность. Получены зависимости откольной прочности от скорости деформации для монокристаллического алюминия, моно- и поликристаллической меди.
С использованием созданного наиболее точного в настоящее время межатомного потенциала для молибдена проведено моделирование трека низко- энергетичного тяжелого иона в кристаллическом молибдене, генерации субкаскадов дефектов и их эволюции. Предложен метод расчета констант скорости реакций различных типов дефектов, переносящий результаты МД расчетов на уровень кинетического описания.
Ab initio расчеты в рамках теории функционала электронной плотности использованы для анализа устойчивости твердых металлов (Au) и диэлектриков (LiF) в состоянии разогретого плотного вещества после импульсного энерговклада в электронную подсистему. Развита двухтемпературная модель абляции металлов под действием субпикосекундных импульсов. Обнаружен механизм абляции, связанный с релаксацией электронного давления.
Практическая ценность работы.
Развитые методы и модели могут быть использованны для атомистического и многомасштабного моделирования широкого класса задач физики конденсированного состояния, включая свойства веществ при экстремальных сжатиях, растяжениях и температурах, задачи ударно-волнового деформирования, радиационного повреждения и абляции при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов.
Положения, выносимые на защиту.
-
Стохастические ограничения предсказуемости динамических корреляций в методе молекулярной динамики. Время динамической и вычислительной памяти. Усредненно-статистический смысл молекулярно-дина- мических траекторий.
-
Влияние дефектов на зарождение повреждений в твердых телах и их от- кольную прочность. Откольная прочность монокристаллического алюминия и моно- и поликристаллической меди при высоких скоростях деформации.
-
Температурная зависимость подвижности краевой дислокации в монокристаллическом алюминии.
-
Столкновительно-лимитированный характер кинетики движения фронта плавления в металлах. Эффект предплавления металлов в контакте с внешней средой-медиатором.
-
Расчет частоты нуклеации и скорости роста полостей в растянутой жидкости. Объединение результатов в рамках многомасштабной модели "нуклеация и рост" для расчета откольной прочности жидкости.
-
Эволюция ансамбля дефектов в треке тяжелого иона в молибдене. Метод расчета констант реакций взаимодействия различных типов дефектов в молибдене: межузельных атомов, вакансий и их кластеров.
-
Метод создания межатомных потенциалов для металлов на основе пер- вопринципных расчетов. Межатомный потенциал для системы Mo-Xe. Межатомный потенциал для золота, зависящий от электронной температуры.
-
Сильное влияние электронной температуры на устойчивость кристаллов LiF и Au в состоянии разогретого плотного вещества.
-
Различие двух механизмов абляции золота при воздействии субпикосе- кундных импульсов: механизма, связанный с релаксацией электронного давления в случае двухтемпературного металла с горячей электронной подсистемой, и механизма, связанного с распространением волны разгрузки в равновесном металле.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на конференциях "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, 2002, 2004 и 2010), "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, 2003, 2005 и 2011), "Nucleation theory and applications" (Дубна, 2003-2008), "Foundations of molecular modeling and simulation" (США, Keystone, 2003), "Фазовые превращения при высоких давлениях" (Черноголовка, 2004), Computational Physics (Германия, Aachen, 2001; США, San Diego, 2002; Италия, Genova, 2004; Gyeongju, Республика Корея, 2006), 15-th Symposium on thermophysical properties (США, Bolder, 2003), научно-координационных сессиях "Исследования неидеальной плазмы" (Президиум РАН, Москва, 2001, 2004, 2010), симпозиумах "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах" (Новый Афон, 2003-2011), Конференциях Американского физического общества "Shock compression of condensed matter" (Гавайи, США, 2007; Нэшвил, США, 2009; Чикаго, США, 2011), Международных семинарах "Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation" (Москва, 2008-2010), Международном семинаре "New Models and Hydrocodes for Shock Wave Processes in Condensed Matter" (Эшторил, Испания, 2008), Международных форумах по нанотехно- логиям (Москва, 2008, 2009, 2010), Международной конференции "Statistical Physics: Modern Trends and Applications" (StatPhys2009) (Львов, Украина, 2009), Российско-японском семинаре "Molecular Simulation Studies in Materials and Biological Sciences" (Дубна, 2010), Конференциях "Физика сильно сжатого вещества" (Троицк, 2009, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 работ в реферируемых научных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и семи глав, изложена на 217 страницах, включая 96 рисунков и 381 наименований цитируемой литературы.
