Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ

О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1

«Теоретические исследования с помощью компьютерных методов

структуры, свойств и условий синтеза новых сверхтвердых материалов. Синтез и экспериментальное изучение свойств новых сверхтвердых

материалов при высоких давлениях»

Соглашение от «07» сентября 2012 г .  № 8512.

Тема: «Новые сверхтвердые соединения на основе легких элементов: теоретическое прогнозирование и синтез при высоком давлении»

Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН)

Ключевые слова: новые сверхтвердые соединения, высокие давления, молекулярные кристаллы, низкоразмерные наносистемы, новые компьютерные методы, компьютерное моделирование

1.                  Цель проекта

1.1. Проект посвящен синтезу и изучению новых сверхтвердых материалов: проведению теоретических исследований, базирующихся на применении новых компьютерных методов, для дизайна и предсказания структуры, свойств и условий синтеза новых материалов, а также непосредственно синтезу и экспериментальному изучению свойств этих материалов при высоких давлениях. Привлечение иностранного ученого к проекту позволит получить доступ российским ученым к последним достижениям мировой науки в области физики новых сверхтвердых материалов и получить возможность сотрудничества с ведущими экспериментальными группами на западе.

1.2. Проект нацелен на решение важнейшей задачи поиска новых материалов неэмпирически, «из ничего»: усовершенствование нашего кода USPEX для предсказания кристаллических структур и обобщение его на системы переменного состава, молекулярные кристаллы и низкоразмерные наносистемы. Разработка нового метода  эволюционной метадинамики; предсказание путей синтеза материалов, синтез экспериментальных образцов в системах B-C-H, B-H, B-C под давлением. Формирование и развитие научного коллектива, закрепление в сфере науки молодых ученых, включая двух молодых кандидатов наук, двух аспирантов ИФВД РАН, пяти студентов Московского физико-технического института (государственный университет) (МФТИ), зачисленных на работу в ИФВД РАН.

2.                  Основные результаты проекта

2.1. Аллотропы бора. Бор известен исключительно сложными кристаллическими структурами – все из них, однако, содержат икосаэдры B12. Последнее обстоятельство может резко упростить поиск низкоэнергетических структур этого элемента. Мы разработали метод, использующий локальные фрагменты структур. Варьируя соотношение икосаэдров и неикосаэдрических атомов бора, мы легко нашли известные аллотропы (альфа- и гамма-бор) и предсказали существование плотной металлической формы с очень низкой энергией.

Аллотропы углерода. Поиск плотнейших форм углерода: поиск наиболее плотных из возможных структур углерода дал три новые структуры (hP3, tI12, tP12), значительно более плотные, чем алмаз. hP3 фаза – полупроводник с шириной запрещенной зоны 2.7 эВ, в то время, как tP12 обладает огромной шириной запрещенной зоны в 7.3 эВ, превышающей все остальные формы углерода. Эти аллотропы имеют предсказанные твердости по Виккерсу 87.6 ГПа для hP3, 87.2ГПа для tI12, 88.3 ГПа для tP12, что ненамного уступает алмазу (90 ГПа). По оптическим свойствам (показатель преломления и дисперсия света) они значительно превосходят алмаз и другие аллотропы.

Поиск наиболее твердой фазы углерода: экспериментально такой поиск велся десятилетиями. Мы разработали надежную модель твердости и провели глобальную оптимизацию твердости для углерода. Фазой с максимальной возможной твердостью оказался алмаз. Другие изученные нами системы, например, C-N и TiO2, подтверждают этот вывод.

Поиск низкоэнергетических sp3-аллотропов углерода: Сжатие графита при высоких температурах дает алмаз. При комнатной температуре образование алмаза кинетически запрещено, т.к. активационный барьер преобразования графита в алмаз велик. Природа продукта холодного сжатия графита долгое время оставалась загадкой. Ряд структур был предложен теоретиками (М-углерод, W-углерод, Z-углерод, bct-C₄), и лишь недавно было окончательно установлено, что именно М-углерод получается в эксперименте. Это было установлено нашими кинетическими расчетами и детальными экспериментами, проведенными в Йельском Университете. Метод эволюционной метадинамики, разработанный нами, позволяет предсказать полный набор структур, кинетически доступных из заданного начального состояния. Продукт холодного сжатия зависит от начального состояния системы и поверхности свободной энергии (в особенности, барьеров). Поэтому нами были изучены варианты превращений политипов 2H и 3R графита. Некоторые из полученных структур (M-углерод, W-углерод, Z-углерод, bct-C4) были предложены в предшествующих работах, но помимо них мы получили целый ряд интереснейших структур с новой топологией.

Уникальные физические свойства бора и способность образовывать необычные и сложные кристаллические структуры с участием икосаэдрических кластеров В12, делают бор чрезвычайно привлекательным объектом исследований. Нами предложен новый метод получения микрокристаллического бора пиролизом декаборана (B10H14) при высоких давлениях, препятствующий попаданию примесей углерода, кислорода и металлов в ростовую среду, и, в тоже время, обеспечивающий относительно высокую диффузионную подвижность атомов бора в водородсодержащей системе. Проведен синтез десяти экспериментальных образцов микрокристаллов бора в системах B-C-H, B-H, B-C: масса образца №1 – 37 мг; №2 – 42 мг; №3 – 40 мг; №4 – 37 мг; №5 – 35 мг; №6 – 36 мг; №7 – 40 мг; №8 – 37 мг; №9 – 42 мг; №10 - 38 мг. Результаты рентгенофазового анализа по идентификации структуры образцов №1-10 показали: образцы №№ 1-6  содержат только фазу α-тетрагонального бора с параметрами структуры a=9.043 Å, c=5.128 Å, V=419 ų ; образцы №№ 7, 8 содержат две фазы α-тетрагонального бора с параметрами a=9.043 Å, c=5.128 Å, V=419 ų и β-ромбоэдрического с параметрами a=11.101 Å, c=23.818 Å, V=2542 ų, №№ 9, 10 – содержат только β-ромбоэдрический бор с параметрами структуры a=11.07 Å, c=23.84 Å, V=2530 ų.

При давлении 8ГПа и температурах в интервале 1400-1900 К бор при разложении декаборана кристаллизовался в структуре α-тетрагонального (α-t) бора. В связи с этим, представляет большой интерес определение P-T-условий образования α-t бора под давлением в системе B-H и изучение возможности получения других модификаций бора.

Целью работы было изучение влияния температуры на фазовые превращения в системе B-H (декаборан) при давлениях до 8-9 ГПа, получение бора в микрокристаллической форме, изучение его структуры и некоторых свойств.

Эксперименты с декабораном проводились при давлениях  2.6, 5.5 и 8 ГПа в интервале температур 1000-2200 K, время выдержки при постоянных Р и Т составляло 1-3 мин. Прессование таблеток декаборана и их снаряжение в капсулы из Ti или Ta осуществлялось в аргоне высокой чистоты. Капсулы помещались в контейнер из ZrO2, отделяющих капсулу от контейнера из CaCO3.

В результате исследования была предложена экспериментальная Р-Т-фазовая диаграмма бора, полученного пиролизом декаборана B10H14 при давлениях 2-8 GPa и температурах 1000-2100 K. Показано, что декаборан разлагается при температурах выше 1200-1400 K с образованием β-ромбоэдрического (β-rh) бора при давлениях 2-3 GPa или α-t бора при более высоких давлениях (до 8-9 ГПа). Обнаружение весьма значительной P-T-области образования α-t бора является неожиданным результатом, для объяснения которого требуются дополнительные исследования. В принципе, присутствие более крупных кристаллов β-rh бора в некоторых образцах совместно с мелкими кристаллами α-t бора указывает на термодинамическую нестабильность α-t модификации.

Изучена температурная зависимость электросопротивления α-t бора на порошковом образце при давлениях до 8 GPa в температурном интервале 300-600 K. Энергия щели  Eg  между валентной зоной и зоной проводимости α-t бора составила значение 1.52 эВ, которое незначительно уменьшается под давлением dEg/dP = - 0.0099  ± 0.005 эВ/ГПа. Величина щели Eg α-t бора находится в соответствии со значениями Eg для всех известных полиморфных модификаций бора (1.5-1.7 эВ) и является полупроводником.  Предсказываемые теорией «металлические» свойства α-t бора не обнаружены.

В дискуссии о возможности синтеза α-t бора в чистом виде особое внимание уделяется примеси углерода. Дело в том, что получение чистого бора без примеси углерода и определение концентрации примеси углерода в образцах являются весьма сложными задачами. В целом, данные по α-t бору, в том числе легированному углеродом, остаются крайне противоречивыми, а вопрос о влиянии углерода на структуру α-t бора – открытым. Очевидно, что наряду с ошибками в определении содержания углерода в структуре α-t бора сказывается неравнозначное влияние атомов примеси и избыточных вакансий на структуру от места расположения дефектов в элементарной ячейке. В ряду изоструктурных соединений B50N2, B50C2 и α-t бора B49.5B2 цепочки: «атом в позиции 2b»- B12-«атом в позиции 2b» параллельны главным диагоналям элементарной ячейки. В данных обстоятельствах, представляет интерес оценка концентрации примеси углерода по длине диагонали тетрагональной ячейки l, которая наиболее «чувствительна» к примеси в структуре α-t бора. Было выяснено влияние углерода в ростовой системе B-C-H на синтез и структуру фаз «α-t бора» под давлением.

Структурные и фазовые превращения в системе B-C-H изучены на смесях декаборана B10H12 с нафталином C10H8 и индивидуальных  веществах: ортокарборане B10C2H12 и нафталине B10H14 при давлениях 8-9 ГПа и температурах до 2000-2100 К. Показано, что образование фаз со структурой α-t бора ограничено максимальной температурой 1900-2000 К и концентрацией углерода по отношению к бору не менее 20%, а легирование α-t бора углеродом сопровождается уменьшением длины диагонали элементарной ячейки l. Значению l фазы «α-t бора» (a =8.890 и c=5.154 Å) с предельным содержанием углерода соответствует частичная занятость позиции 2b углеродом в элементарной ячейке около 50%. Образование изоструктурного соединения B50C2 не зафиксировано под давлением, что объясняется особенностями синтеза в условиях высокой плотности вещества: быстрой кристаллизации при относительно невысокой диффузионной подвижности.

B2O3 является архетипичным оксидом наряду с такими окислами как SiO2 и GeO2, оксид бора занимает второе место после SiO2 по масштабам использования в индустрии.  Существует огромный спектр важных стекол и керамик на основе оксида бора. Считается, что при нормальном давлении стабильна  кристаллическая фаза B2O3 (I) (группа P31, a=4.336 Å, c=8.340 Å; ρ = 2.55 g/cm3). При высоких давлениях > 4 GPa и высоких температурах модификация B2O3 (I) испытывает превращение в фазу B2O3 (II) (группа Ccm21, a=4.613 Å, b=7.803 Å, c=4.129 Å; ρ = 3.11 g/cm3), которая стабильна, по крайней мере, до  40 ГПа.

Монокристаллы фазы  B2O3  II были выращены в гидротермальных условиях при р = 5 ГПа охлаждением расплава  B2O3  с некоторым количеством воды, содержащимся в исходном образце в силу его гигроскопичности, в интервале Т = 1425 — 1025 К со скоростью ~ 100 К/ч. Эксперименты проводились как в безградиентном режиме, так и при градиенте  температуры (~ 10 - 12 К/мм) в реакционной ячейке. Прозрачные бесцветные кристаллы B2O3 II  имели размеры 450 × 450 × 150 мкм3.

Морфология выращенных кристаллов была изучена с использованием монокристальных рентгеновских камер Лауэ и Бургера (a=4.621(5) Å, b=7.813(8) Å, c=4.134(4) Å). В Приложении к отчету представлены фотографии и символы граней для кристаллов фазы  B2O3 II, выращенных как в отсутствии температурного градиента, а также при наличии градиента температуры. Последние отличаются по своей морфологии. Эти кристаллы представляют собой комбинацию ромбической призмы (110) и ромбической пирамиды (111). Анализируя морфологию выращенных кристаллов, можно предположить, что форма кристаллов зависит от ориентации главных векторов пространственной решетки фазы B2O3II относительно вектора градиента температуры, вдоль которого идет рост кристаллов. Изучены спектры комбинационного рассеяния на монокристаллах B2O3 II.

В 2012 году начаты исследования поведения B2O3 при давлениях свыше 10 ГПа. Опыты в многопуансонных аппаратах проводились как в Японии (Spring-8), так и в ИФВД РАН (Тороид-35 со вставками из спеченных алмазных композитов). В обоих случаях максимальное давление составляло 20 ГПа. Получены поликристаллы модификации B2O3 II с ультрамелким зерном. Твердость данной модификации составляет 12 ГПа. Начаты также работы с камерами с алмазными наковальнями. Однако качественных дифракционных спектров от кристаллов B2O3 пока получить не удалось (из-за очень слабой интенсивности линий требуется съемка на фокусированном источнике синхротрона 3го поколения). Предварительные расчеты, проведенные под руководством А. Р. Оганова, свидетельствуют о возможности существования более плотных модификаций B2O3, но требуемые давления составляют свыше 50 ГПа. В дальнейшем планируются исследования на синхротронных пучках B2O3 при давлениях мегабарного диапазона.

Возможность синтеза индивидуальных алмазоподобных кристаллов cBCN при давлении 8 ГПа и температуре около 1500° С при термобарической обработке порошковой смеси бора и нитрида углерода со стехиометрией C3N4 была установлена нами несколько лет назад, работа в рамках настоящего проекта посвящена изучению кинетики кристаллизации в условиях высоких давлений и температур гетероалмазных фаз и возможности получения новых промежуточных по энергии метастабильных BCN и BCNO модификаций.  Исходными компонентами для синтеза образцов являлись порошковые смеси бора с нитридом углерода (C3N4) или меламином (C3N6H6). Порошок бора представлял собой кристаллическую (β) или рентгеноаморфную фазы. В работе использовалась модификация C3N4 со сферической формой частиц, размеры которых менялись от нано до микронных. Наноразмерный порошок нитрида углерода содержал до 15 ат.% хемосорбированного кислорода, а в частицах с микронными размерами его количество составляло около 5%, что соответствовало проведению синтеза в системе B-C-N-O. В то же время при использовании смесей бора с меламином рост кристаллов происходил в системе B-C-N-H.

Синтез проводили в камерах типа «тороид» при давлениях 4.0 – 9.0 ГПа и температурах 700-1700 ºС. Образец в центре ячейки находился в окружении наноразмерного порошка алмаза. Алмаз имеет высокую теплопроводность и снижает температурный градиент в образце, а минимальные размеры пор наноалмаза удерживают флюидную фазу во время синтеза.

Порошковые смеси бора с C3N4 и меламином приготавливали троекратной перетиркой в ацетоне. Цилиндрические образцы их смесей формовались в виде таблеток с диаметром 4 мм и высотой 3 мм , которые помещались в ячейку высокого давления. После стабилизации приложенного давления они нагревались со скоростями от 50 до 500 ºС/сек., а время выдержки при максимальной температуре изменялось от 5 до 1800 секунд. Температурный градиент в образцах при выдержке был меньше, чем 100º С. Перед снижением давления образцы охлаждались до комнатной температуры. Для рентгенофазового анализа образцов использовали дифрактометр BRUKER AXS с двухкоординатным детектором. Изучение микроструктуры и элементный анализ проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM)  JEOL JSM-6390 c EDX анализатором. Анализ свежих изломов образцов проводился без нанесения на поверхность электропроводной пленки. Элементный состав определяли в единичных кристаллах с площади, значительно меньшей, чем размер частицы. Трансмиссионный микроскоп JEOL JEM 2010 использовали для исследования тонких фрагментов кристаллов. Спектры ИК-поглощения были получены на Фурье-спектрометре Vertex-70 (BRUKER) на просвет с разрешением 4 см-1. Таблетки для анализа прессовались из смеси KBr и 0.5% изучаемого материала. Спектры комбинационного рассеяния снимались на микрорамановской установке состоящей из тройного спектрометра TriVista 555 с CCD детектором и микроскопа Olympus BX51WI. Для возбуждения использовался аргоновый лазер - линия 488 нм.

Установлено, что при термобарической обработке смесей бора с соединениями, содержащими азот и углерод и разлагающимися в условиях синтеза, на начальном этапе формируются кристаллы графитоподобной hBCхN фазы с базовой структурой нитрида бора. Эта фаза содержит углерод, равномерно распределенный в монослое. Она не имеет постоянного состава и может определяться как легированный углеродом нитрид бора. Максимальное количество углерода в частицах составляет около 12 атомных %.

При выдержке в диапазоне давлений 6.5 – 9.0 ГПа гексагональная решетка трансформируется в кубическую фазу. Алмазоподобная фаза кристаллизуется в виде индивидуальных частиц с размерами 0.05-5.0 мкм. Установлено, что параметр решетки этой фазы близок к кубической фазе сBN (3.616 Å) при синтезе из меламина. В случае использования нитрида углерода, содержащего хемсорбированный кислород, параметр ячейки новой фазы меняется в пределах от 3.6356 до 3.6552 Å и увеличивается с ростом содержания кислорода в системе. Согласно уточнению по рентгеновским данным атомы азота и бора в новой гетероалмазной фазе частично замещены атомами углерода. В узлах решетки может находиться до 5% кислорода, который занимает только позиции азота и вызывает значимое увеличение параметра ячейки. Наличие в структуре нитрида бора углерода и кислорода подтверждено результатами элементного (EDS и EDX) микроанализов, ИК и Рамановской спектроскопии. 

В синтезированных образцах обнаружена новая кубическая фаза со структурой сфалерита и параметром ячейки - 4.346 Å. Длина связи в ней соответствует сумме ионных радиусов бора и азота - 1.883 Å. Ее максимальное количество (около 50%) удалось получить при термобарической обработке смеси нанодисперсного нитрида углерода с бором. Новая фаза устойчива при нано и субмикронных размерах частиц и может являться первым примером синтеза ионного кристалла на основе нитрида бора. Одной из дальнейших задач будет являться уточнение ее структурных параметров, элементного состава и типа химической связи. 

Рассмотрены существующие базы экспериментальных данных, выполнен теоретический анализ и проведена большая серия работ по компьютерному моделированию для флюидного состояния вещества при высоких температурах и сверхвысоких давлениях. Представлен обзор вариантов построения условной границы между жидкостью и квазигазовым флюидом в закритической области. Показано, что в суперкритической области жидкость находится в двух качественно различных состояниях: «жестком» и «мягком». Переход между этими состояниями определяется условием τ ≈ τ0, где τ – это время релаксации в жидкости, и τ0 – минимальный период поперечных квазигармонических колебаний. Это условие определяет новую линию динамического кроссовера на фазовой диаграмме и соответствует потере сдвиговой жесткости жидкости при любых доступных частотах и приводит к качественному изменению многих важных свойств жидкостей. Поведение системы в окрестности новой линии проанализировано теоретически на примере реальных и модельных жидкостей, при этом показано, что переход соответствует исчезновению высокочастотного звука и ротонного минимума, а также качественному изменению температурной зависимости скорости звука, диффузии, вязкости. Кроме того, на линии кроссовера тепловая скорость молекул достигает приблизительно половины скорости звука, а теплоемкость при постоянном объеме становится равной 2kB на частицу. В отличие от линии Видома, которая существует только в окрестности критической точки, новая динамическая линия является универсальной: она разделяет два качественно различных состояния жидкости при произвольных давлениях и температурах, независимо от того, существует ли вообще в системе переход газ-жидкость и критическая точка.

На основе теоретических рассмотрений, из данных компьютерного моделирования и из анализа большого массива экспериментальных данных установлено существование границы, разделяющей зону флюидов при давлениях выше критического на 2 части с различным типом движения частиц и качественно различным поведением физических свойств.

2.2. Мы усовершенствовали наш код USPEX для предсказания кристаллических структур и обобщили его на системы переменного состава, молекулярные кристаллы и низкоразмерные наносистемы. Новые методы, например, эволюционная метадинамика, были разработаны нами. Возможность оптимизации физических свойств была включена в USPEX, и сделаны первые шаги в предсказании путей синтеза материалов. Ряд важных материалов был исследован этим методом.

Нами предложен новый метод получения микрокристаллического бора пиролизом декаборана (B₁₀H₁₄) при высоких давлениях, препятствующий попаданию примесей углерода, кислорода и металлов в ростовую среду, и, в тоже время, обеспечивающий относительно высокую диффузионную подвижность атомов бора в водородсодержащей системе.

В ИФВД РАН были синтезированы новые экспериментальные образцы. Все результаты исследований экспериментальных образцов были получены впервые.

2.3. Предложенный нами код USPEX используется более, чем 1100 исследователями по всему миру.

Существует сотни мировых центров (в том числе около десяти в России), в которых проводятся экспериментальные и теоретические работы по синтезу и исследованию новых сверхтвердых материалов, в том числе при высоких давлениях. ИФВД РАН является безусловным российским лидером и одним из мировых лидеров в этом направлении. Поиск новых сверхтвердых материалов проводится, в основном, среди соединений легких элементов – Be, B, C, N, O. Исследования по синтезу новых модификаций высокого давления в системах углерод-бор-азот-кислород проводятся в нескольких лабораториях в мире, однако лишь в ИФВД РАН имеется весь набор аппаратов высокого давления для синтеза и полный набор методик для исследования механических характеристик и физических свойств новых материалов, как в условиях сильного сжатия, так и при нормальном давлении.

3.                  Назначение и область применения результатов проекта

3.1. Результатом этого проекта станет разработка новых методов и программ, ряд высокоцитируемых публикаций в лучших международных научных журналах. Цель данного проекта – вывести программы и методы предсказания и синтеза новых материалов (их оптимальных структур, составов и свойств) на тот уровень, когда новые материалы можно будет рутинно прогнозировать на компьютере. Решение этой центральной для материаловедения задачи лежит именно в разработке новых теоретических методов и программ, а результатом будет колоссальная экономия средств и времени (измеряемая многими миллиардами долларов США в год), необходимых для разработки новых технологий. Потребителями этой технологии будут практически все отрасли наукоемкой индустрии, нуждающиеся в новых материалах – энергетика, фармацевтика, машиностроение и приборостроение, оборона, космические исследования. Металлические аллотропы бора представляют большой интерес как возможные высокотемпературные сверхпроводники.

4.                  Перспективы развития исследований

1) Участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств с США, сотрудничество по теме: «Синтез и изучение новых сверхтвердых материалов»,  профессор А.Р. Оганов (Университет Штата Нью Йорк (Стони Брук)).

2) Краткая информация о проектах научного коллектива по аналогичной тематике.

Программа Президиума РАН «Вещество при высоких плотностях энергии»; РФФИ (№12-02-00788) «Экспериментальное уточнение Р-Т-диаграммы состояния бора: синтез, структура и свойства стабильных и метастабильных состояний бора»; РФФИ (№10-02-00958) «Термобарический синтез в системах B-C-N-О и B-C-N-Н и исследование новых алмазо и графитоподобных фаз, полученных с использованием наноразмерных компонентов»; РФФИ (№ 11-02-00303) «Фазовые превращения под давлением в кристаллическом, жидком и стеклообразном оксиде фосфора P2O5»; РФФИ (№ 11-02-00341) «Теоретическое изучение аномального поведения, структурных свойств, динамики и перехода в стекло в системах с потенциалами с отрицательной кривизной в области отталкивания».

3) Великобритания, Университет “Queen Mary University of London”; США, Университет Штата Нью Йорк (Стони Брук).

5.                  Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий

Дудалов Дмитрий Евгеньевич, 25.03.1986 года рождения, принят на работу на должность мнс Исполнителя;

Озерин Алексей Юрьевич, 24.02.1988 года рождения, зачислен в очную аспирантуру Исполнителя, принят на работу на должность мнс Исполнителя;

Данилов Игорь Владимирович, 05.08.1991 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Логинов Александр Михайлович, 17.06.1991 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Саламатин Денис Александрович, 05.02.1991 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

Гайдук Евгений Алексеевич, 21.09.1992 года рождения, принят на работу на должность лаб. Исполнителя;

Энкович Павел Вячеславович, 06.08.1990 года рождения, принят на работу на должность ст. лаб. Исполнителя;

6.                  Вклад приглашенного руководителя в проект (этап проекта)

Задача предсказания кристаллических структур критически важна для теоретического дизайна новых материалов. Долгое время эта задача считалась нерешаемой и одной из сложнейших задач во всех естественных науках. Имеется около 10 групп теоретиков, занимающихся исследованиями новых гипотетических сверхтвердых материалов. Группа профессора А. Оганова - безусловный лидер в этом направлении, разработанный им метод USPEX позволяет эффективно решать эту задачу путем итерационного улучшения популяции пробных решений.

ИФВД РАН является уникальным научным учреждением, которое имеет 50-летний опыт синтеза и исследования новых сверхтвердых материалов с помощью высоких давлений. Институт обладает прекрасным станочным парком и уникальным набором прессового оборудования, включая самый мощный в мире исследовательский пресс («Большой пресс») усилием 50 тыс. тонн.

Соединение в одном проекте сильной теоретической и экспериментальной базы способствует получению важных фундаментальных и практических результатов. Так, например, проф. Оганов создал надежную модель для расчетов твердости кристаллов, мы занимаемся поиском наиболее твердых форм оксида бора, и как результат – предсказание их структур и условий получения, и, в дальнейшем, экспериментальный синтез. В этой системе есть вероятность найти новые сверхтвердые материалы.

Основной аспект новизны предлагаемых подходов связан с использованием для синтеза при высоких давлениях исходных высоко метастабильных прекурсоров, в том числе органических соединений.

Также новизна и перспективность предложенного проекта состоит в непрерывном обмене данными «онлайн» с профессором А. Огановым. Научное сотрудничество ученых экспериментаторов ИФВД с профессором А. Огановым дает синергетический эффект. Фактически будут заложены основы нового направления – предсказание и синтез при высоком давлении новых плотных метастабильных модификаций соединений легких элементов.

Под руководством проф. Оганова идет освоение научном коллективом ИФВД РАН кода USPEX для использования и закрепления этой новой методики в нашем институте. USPEX представляет собой код, написанный в MATLAB и Fortran 90 и состоящий из более 100000 строчек кода и стремительно растущий в объеме и функциональности. USPEX является наиболее широко используемой программой для предсказания кристаллических структур (наиболее популярные альтернативные методы – случайный поиск, искусственный отжиг, метадинамика). Эффективность большинства альтернативных методов снижается тем, что в них (в отличие от нашего эволюционного подхода) не используется история расчета. Недавний «слепой тест» различных методик предсказания структур показал, что USPEX является одновременно наиболее быстродействующим и наиболее надежным из существующих методов.

В 2012 г . на территории России проф. Огановым было проведено шесть лекций – семинаров, по материалам которых подготовлены Интернет-ресурсы в свободном доступе. Основная цель семинаров – ознакомить аудиторию с программой USPEX и полученными важными результатами. Проведение таких мероприятий на территории России позволит расширить партнерское сотрудничество между российскими учеными. В соответствии с условиями проекта 24 декабря 2012 г . был проведен семинар в ИФВД РАН. Тематика и материалы семинара прилагаются.

  About HPPI ~ Brief history of HPPI ~ Scientific divisions ~ Scientific activities ~ Our products ~  Office of the director ~