W Narodowym Centrum Badań Jądrowych powstał nowy model opisujący rozchodzenie się dźwięku w kryształach. Ujawnia on istnienie nieznanych dotąd efektów dynamicznych i sił pojawiających się w strukturze krystalicznej pod wpływem fali akustycznej.
Symulacje komputerowe w skali atomowej pozwalają badać własności materiałów niedostępne dla tradycyjnych metod doświadczalnych. Do modelowania ruchu atomów w materiałach często stosowana jest metoda zwana dynamiką molekularną (MD). Polega ona na numerycznym rozwiązywaniu równań ruchu dla układu atomów lub molekuł, z uwzględnieniem oddziaływań między nimi, aby jak najwierniej oddać zachodzące w rzeczywistości zjawiska.
Zaletą dynamiki molekularnej jest możliwość opisania ruchu pojedynczych atomów w dowolnie krótkim czasie, często rzędu pikosekund (10-12 sekundy). Pozwala to badać występujące w materiałach efekty, które są bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do odwzorowania innymi sposobami. Do skutecznego wykorzystania tej metody konieczne jest jednak bardzo dobre zrozumienie badanych zjawisk fizycznych. Same symulacje komputerowe, choć potrafią modelować ruch milionów atomów jednocześnie, są wymagające obliczeniowo, a sprawna analiza pochodzących z nich ogromnej ilości danych wymaga odpowiedniego przygotowania od strony technicznej.
Pomimo ciągłego rozwoju nauki i technologii, wiele podstawowych zjawisk nadal nie jest precyzyjnie opisanych i zbadanych. Należy do nich mechanika ciał i ruch atomów w kryształach, na przykład zjawisko rozprzestrzeniania się dźwięku w strukturach krystalicznych. Choć podstawy tego zagadnienia sformułowano jeszcze w XIX wieku, do dziś nie istnieje jego szeroko przyjęty opis, który można byłoby wykorzystać w niektórych badaniach, powszechnie stosowanych w naukach o materiałach.
Próbę sformułowania precyzyjnego opisu rozprzestrzeniania się dźwięku w kryształach podjął dr Zbigniew Kozioł z Laboratorium Badań Materiałowych Narodowego Centrum Badań Jądrowych. W rezultacie powstał model łańcucha mas i sprężyn (a chain of springs and masses, CSM), który wprowadza analityczny opis wnikania naprężeń do struktury krystalicznej.
Pierwsze rozważania na temat podobnego modelu pochodzą z początku XX wieku od Erwina Schrödingera oraz mało znanej pracy holenderskiego profesora de Patera, który zajmował się kolejnictwem. Udało mi się rozszerzyć te prace i pokazać, jak dobrze wynikające z nich analityczne równania opisują całą gamę symulacji z użyciem dynamiki molekularnej – opisuje twórca modelu CSM.
Zastosowanie modelu i staranna analiza danych dla kryształów o sieci FCC (face-centered cubic, sześcienna centrowana na ścianach) wykazały istnienie niespodziewanych oscylacji warstw krystalicznych. Ruchy układu atomów pojawiają się, gdy czoło fali dźwiękowej dociera do danej warstwy krystalograficznej. W materiale występują wówczas nieznane dotąd siły, działające prostopadle do kierunku przyłożonego ciśnienia.
Odkryta siła ma pochodzenie dynamiczne i jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia. Poza oscylacjami atomów, powoduje także ich przesunięcie w kierunkach prostopadłych do zewnętrznej siły. Zjawisko związane jest z różnicą względnych przesunięć między warstwami po obu stronach każdej warstwy. Efekty te nie są opisywane przez powszechnie używaną statyczną teorię naprężeń w materiałach – wyjaśnia dr Kozioł.
Choć zjawisko to przedstawił w szczególnej konfiguracji kryształu, powinno ono – zdaniem badacza – występować także w innych przypadkach. Stwarza to okazję do badań eksperymentalnych, aby potwierdzić istnienie efektu pod wpływem odpowiednio wysokich ciśnień.
Odkrycie nowej siły nie było jedynym zaskoczeniem wynikającym z badań. Analiza obejmowała także wyprowadzenie analitycznych wzorów będących przybliżeniem energii potencjalnej pomiędzy poszczególnymi warstwami kryształu, co pozwala na wyprowadzenie równań ruchu. Okazało się, że w przypadku pominięcia jednej ze składowych sił, otrzymany potencjał sprowadza się do potencjału Hénon-Heiles’a.
Uzyskany w badaniach potencjał jest rozszerzeniem na 3 wymiary zaproponowanego w latach sześćdziesiątych potencjału będącego bardzo uproszczonym modelem ruchu gwiazd w centrum Drogi Mlecznej. Jego wprowadzenie spowodowało gwałtowne zainteresowanie oraz rozwój teorii chaosu – podkreśla dr Zbigniew Kozioł.
Wyniki jego badań, opublikowane w „Journal of Physics Communications”, otwierają nowe możliwości, głównie w dziedzinie symulacji komputerowych w strukturach krystalicznych.
źródło: NCBJ
Gratuluję! Bardzo ciekawe wyniki badań.