К заданным свойствам. Новые материалы будут создавать путем многомасштабного моделирования

Сплавы используют гораздо чаще, чем чистые металлы, они обладают не только улучшенными, но порой и уникальными свойствами. Однако получение сплавов с желаемыми свойствами — дело сложное. В исследованиях участвуют разные специалисты. Кандидат физико-математический наук, старший научный сотрудник Института механики МГУ им. М.В.Ломоносова Илья БРЮХАНОВ вносит свой вклад в это важное прикладное направление, занимаясь многомасштабным моделированием механических свойств и процессов деформирования металлов, сплавов и наноструктур. За свои исследования он был удостоен медали Российской академии наук с премией. «Поиск» побеседовал с молодым ученым и выяснил, что он делает для изучения и улучшения свойств различных материалов. — Обычно изготовлением материалов занимаются материаловеды, которые эмпирическим путем подбирают «рецепт». Сегодня стремительно развивается область компьютерного моделирования, основная задача которой — научиться предсказывать структуру материалов в процессе обработки, а также механическое поведение. Собственно, «многомасштабное моделирование» — это, скорее, подход к построению таких моделей, — рассказывает Илья Брюханов. — Например, перед нами какой-то образец. Сначала мы можем разглядеть только его форму, цвет. Если же возьмем микроскоп и постепенно будем увеличивать разрешение, то различим отдельные элементы. При этом с увеличением разрешения крупная структура будет исчезать — проявится более мелкая. Сначала мы увидим структуру зерен, потом дислокаций и, наконец, атомов. Если пытаться моделировать твердое тело на каком-то из этих уровней, то окажется, что нужно знать параметры процессов из более мелких. Например, когда начинается разрушение материала, то внутри него сначала появляются маленькие поры, которые начинают расти и объединяться в поры большего размера. Чтобы определить критерий разрушения на макроуровне, нужно уметь описывать процессы, предшествующие зарождению пор, а также сопровождающее их объединение. Идея «многомасштабного моделирования» заключается в том, чтобы построить цепочку от мелкого к крупному. У такого подхода, безусловно, есть и свои сложности, связанные с необходимостью моделировать и описывать большое число процессов, происходящих внутри материала во время деформации. С другой стороны, глубокая детализация физических процессов в многомасштабном моделировании в перспективе позволит автоматизировать поиск микроструктуры материалов для конкретных приложений. — С какими металлами, сплавами и наноструктурами вы имеете дело? — Выбор систем для исследования был продиктован стечением обстоятельств. Так получилось, что, когда я поступил в аспирантуру, возникла задача о моделировании упругих свойств нанопористых материалов, которые заполняются различными газами или парами воды. Это достаточно перспективные материалы, цеолиты, которые сейчас используются в нефтепереработке, но потенциально могут быть полезны и в других приложениях. Мы решали эту задачу совместно с доктором химических наук, ведущим научным сотрудником Александром Владимировичем Лариным с химфака МГУ. Затем на кафедре волновой и газовой динамики я узнал об ударно-волновых экспериментах члена-корреспондента РАН Геннадия Исааковича Канеля. В этих работах он показал, что даже обычные металлы, такие как медь и алюминий, при деформировании с очень высокой скоростью ведут себя совсем не так, как обычно. Например, обычно при нагревании металлы приобретают пластичность. Оказалось, что при высоких скоростях они, наоборот, могут становиться прочнее. — Вы занимаетесь теоретическими или экспериментальными исследованиями? — В основном провожу численные расчеты. Главные результаты моих работ получены методом молекулярной динамики. В нем твердое тело моделируется совокупностью атомов, которые взаимодействуют между собой. Для того чтобы изучать поведение материалов, нужно моделировать миллионы атомов. Моя работа была бы невозможной без суперкомпьютерного комплекса МГУ, где я проводил все расчеты. Конечно, глобальная идея создания метода «многомасштабного моделирования» очень сложная и имеет свою специфику для каждого конкретного материала. Поэтому, чтобы продвигаться в этом направлении, нужно решать разные небольшие, но конкретные задачи. Одна из таких связана с моделированием дефектов в материалах. Оказывается, во многом именно механизмы эволюции дефектов определяют то, каким образом материал будет деформироваться и разрушаться. Например, дефектами, которые отвечают за пластичность металла, являются дислокации. Это такие линии внутри кристаллической решетки, возле которых нарушен порядок расположения атомов. Если в материале при нагрузке начали двигаться дислокации, то форма образца начинает необратимо меняться, как бы приспосабливаясь к этой нагрузке. В этом случае говорят о пластической деформации, а о дислокациях — как о ее переносчиках. В хрупких материалах, например, в стекле или алмазе, дислокации имеют очень низкую подвижность, поэтому пластической деформации почти не происходит, и при достижении критической нагрузки они трескаются. Во время изготовления сплавов ученые специально подбирают такие состав и «рецепт», чтобы обеспечить необходимые механизмы эволюции дефектов в процессе деформирования. Например, если расплавить немного меди в алюминии, а затем выдержать при комнатной температуре, то в алюминии появятся медные дискообразные кластеры, которые будут препятствовать движению дислокаций. Повысится предел текучести сплава, его сложнее будет заставить пластически деформироваться. При этом сплав начнет разрушаться при меньших деформациях, чем чистый алюминий, то есть станет более хрупким. Это происходит потому, что из-за примесей плотность дислокаций раньше насыщается до того предела, когда они начинают мешать друг другу двигаться, материал больше не может пластически деформироваться и разрушается. Ученые сегодня бьются над проблемой создания материала, который был бы одновременно твердым и пластичным. Если говорить об исследованиях эволюции дефектов в материалах, то видеозаписи дислокаций, полученные с помощью просвечивающих микроскопов, завораживают. Удивительно, что внутри привычных нам металлов есть дислокационные линии, которые могут двигаться, переплетаться и исчезать. Моделирование динамики дислокаций в материалах сейчас очень актуально, так как позволяет определять, как материалы с той или иной микроструктурой будут пластически деформироваться. В своих работах я также занимаюсь теоретическим исследованием динамики дислокаций, чтобы описывать особенности пластической деформации и упрочнения металлов. Насчет экспериментов. Конечно, мне хочется проводить реальные физические эксперименты и в будущем публиковать статьи, в которых были бы и расчеты, и эксперименты. Такие работы выше ценятся, и они расширяют научный кругозор. Сейчас я двигаюсь в эту сторону, провожу эксперименты на медных сплавах при высокоскоростном деформировании. Надеюсь, получу интересные результаты. — Помогут ли они решить какие-то проблемы? — Пока результаты моих исследований вряд ли поменяют жизнь людей так, как, например, мобильные телефоны. Но если что-то выделить, то мы с коллегами с химического факультета научились описывать упругие свойства нанопористых цеолитов при заполнении различными газами и жидкостями. Эти материалы могут селективно впитывать различные жидкости и газы. Когда цеолиты заполняются каким-нибудь веществом, изменяются их упругие свойства. Нам удалось найти метод, который позволяет численно рассчитывать упругие константы различных форм цеолитов. Мы также обнаружили, что в некоторых условиях поглощение углекислого газа в цеолитах может сопровождаться сильным снижением упругих свойств. В одной из последних моих статей в International Journal of Plasticity, вышедшей в марте этого года, мне удалось показать, что предел упругости кристаллов меди при динамическом нагружении может совершенно неожиданно увеличиваться с ростом температуры. Эти результаты расширяют представление о том, как может происходить пластическая деформация в металлах, и создает почву для создания новых теоретических моделей. Ведь металлы состоят из множества кристаллов, и если мы научимся хорошо описывать поведение каждого кристалла по отдельности, то сможем моделировать и материал целиком. Беседу вела Фирюза ЯНЧИЛИНА The post К заданным свойствам. Новые материалы будут создавать путем многомасштабного моделирования appeared first on Поиск - новости науки и техники.