Atómová štruktúra a mechanizmus stability kvázikryštálov

Abstrakt: 

Zrnka kvazikrystalov AlCuFe (2011) a AlNiFe (2015) nedavno objavene v ulomkoch meteorickeho povodu na Kamcatke vykazuju dokonalost usporiadania krystalov, napriek absencii translacnej symetrie. Detaily ich atomovej struktury, rovnako ako mechanizmus ktory vynucuje neperiodicke usporiadanie, nie su zname. Dnesnymi metodami prvoprincipoveho modelovania atomovych struktur a ich termodynamickej stability je mozne uskutocnit vazny pokus o presne odpovede na tieto dve fundamentalne otazky bez akychkolvek dalsich experimentalnych udajov.

[1] Luca Bindi, Paul J. Steinhardt, Nan Yao and Peter J. Lu: Icosahedrite, Al63Cu24Fe13, the first natural quasicrystal". American mineralogist 2011, doi: 10.2138/am.2011.3758

[2] L. Bindi et al: "Natural quasicrystal with decagonal symmetry", Scientific Reports 5, Article number: 9111 (2015) doi:10.1038/srep09111

Submitted by Marek Mihalkovic on Pi, 01/15/2016 - 16:10
Spoluriešitelia: 
Eva Pospíšilová
Odbor: 
Fyzika materiálov
Vedecká časť: 

 

Predpoved struktury kvazikrystalov bez akychkolvek experimentalnych vstupov. Fitovanim ab-initio "DFT" udajov odvodime oscilujuce parove potencialy [1] pre binarne/ternarne systemy. Empiricke parove potencialy pouzijeme pri pomalom simulovanom chladeni struktury z bodu tavenia az do nizkych teplot [2]. Termodynamicku stabilitu  takto ziskanych struktur vypocitame (vratane entropickych clenov)  v DFT aproximacii. 

[1] M. Mihalkovic, C. L. Henley, "Empirical oscillating potentials for alloys from ab initio fits and the prediction of quasicrystal-related structures in the Al-Cu-Sc system", Phys. Rev. B85 (2012), art. no. 092102

[2] M. Mihalkovic, M. Widom and C.L.Henley: "Cell-constrained melt-quench simulation of d-AlCoNi: Ni-rich versus Co-rich structures",  DOI10.1080/14786435.2010.515264

[3] M. Mihalkovic, M. Widom: "Structure and stability of Al2Fe and Al5Fe2: First-principles total energy and phonon calculations", DOI 10.1103/PhysRevB.85.014113

 

Socioekonomický a technologický dopad: 

Dana problematika - absencia translacnej symetrie v materialoch s dalekodosahovym orientacnym usporiadanim - patri k fundamenalnym aspektom fyzikalneho obrazu o usporiadanych pevnych latkach. V tejto chvili nie su zname vyznamne priemyslene aplikacie. 

Technická časť: 

Zakladnym nastrojom ktory chcem na Aurelovi prevadzkovat je znamy DFT balik VASP (https://www.vasp.at/). 

Standartny sposob aproximacie kvazikrystalu je koncept vzv "periodickeho aproximantu", pri ktorom sa nekonecny kvazikrystal bez translacnej symetrie nahradi periodickym krystalom s velkym poctom atomov v tzv elementarnej bunke. Tento koncept vedie k modelom ktore maju az do niekolko tisic atomov v elementarnej bunke. 

Program VASP je je vybaveny plnou paralelnou funkcionalitou a na superpocitaci Aurel mam odskusanu relaxaciu struktur s velkostou az do 3500 atomov na 4 uzloch. Skalovanie VASP-u zavisi od velkosti atomovej struktury, typu vypoctu, a zvoleneho sposobu paralelizacie. Moje vypocty budu v drvivej vacsine relaxacie a molekularno-dynamicke simulacie niekolko sto atomovych struktur (na co postacuju 1-2 uzly), v mensej casti kratke relaxacie vynimocne velkych modelov (niekolko tisic atomov) budu vyzadovat 4-8 uzlov.

Prepojenie s grantovými úlohami: 
VEGA 2/0189/14 "Nove kovove materialy s komplexnou strukturou a unikatnymi objemovymi a povrchovymi vlastnostami"
Spolufinancovanie: 
1 000.00
Výstupy: 
"Direct measurement of individual phonon lifetimes in the clathrate compound Ba7.81Ge40.67Au5.33" P-F Lory, ...., M. Mihalkovic, ... et al Nature Communications 8, Article number 491, 2017
"Atomic structure of a decagonal Al-Pd-Mn phase" Marek Mihalkovič, Johannes Roth, and Hans-Rainer Trebin Phys. Rev. B 96, 214103 – Published 8 December 2017