Твой проект —
твоя профессиональная
Траектория

Компьютерный дизайн сверхтвёрдых кристаллических материалов

Партнер
ВУЗ
Актуальность

Твёрдость – это интуитивно понятное свойство материала, характеризующее его способность сопротивляться царапанию. Строгие количественные характеристики твердости определяются путем теста надавливанием (например, метод Виккерса). Процедура выглядит следующим образом: алмазную пирамиду прикладывают на поверхность тестируемого материала и надавливают на него. В процессе измеряется сила надавливания, которая делится на площадь полученного отпечатка, после чего применяется поправочный коэффициент. Получившаяся величина и будет твёрдостью материала. Она имеет размерность давления и измеряется в паскалях, поскольку это сила, деленная на площадь.

Сверхтвердые материалы – это материалы, обладающие твёрдостью выше 40 гигапаскалей (40x109 Па). На сегодняшний день известно порядка 15 таких материалов. Они широко применяются в станкостроении, ювелирном деле, в обработке камня, в буровых инструментах. Во всех этих областях есть задачи, связанные с деформированием других материалов: резкой, полированием, шлифованием, бурением. Более того, сверхтвердые материалы еще могут пригодиться в бронежилетах и прочих защитных военных приспособлениях. В частности, широко используется такой материал, как карбид бора, который тоже является сверхтвердым и достаточно легким. 

Самым твердым материалом, известным человечеству является алмаз. Долгое время были попытки, которые не прекращаются и сейчас, открыть материал тверже алмаза. Тем не менее, к успеху они не привели.

Алмаз является самым твердым материалом, но он не является самым оптимальным для промышленного применения. Прежде всего, он хрупок и горит в кислородной атмосфере. При этом многие области применения сверхтвёрдых материалов предполагают их нагревания до высокой температуры (например, бурение). Кроме того, алмазом нельзя резать сталь. Углерод реагирует с железом, образуя карбид железа, что приводит буквально к растворению алмаза в стали при достаточно высокой температуре. Наконец, алмаз является достаточно дорогим материалом. Это делает актуальной задачу поиска новых сверхтвердых материалов, обладающих оптимальными для промышленности свойствами, а также дешёвых и простых в производстве.


Описание

Цель настоящего проекта — компьютерное предсказание структур новых сверхтвёрдых материалов. Известно, что для индустрии представляют интерес материалы, твёрдость которых превышает 40 ГПа.

Известно, что сверхтвердые материалы образуются в веществах с сильной ковалентной связью. Ионная связь понижает твердость. Металлическая связь тоже понижает твердость. Связи должны быть сильными, направленными, то есть ковалентными, и образовывать трехмерную сетку. Плотность вещества тоже по возможности должна быть высокой, плотность в смысле числа атомов на единицу объема. И по возможности симметрия вещества должна быть тоже очень высокой, чтобы вещество было одинаково сильным во всех направлениях. Иначе будет такая же ситуация, как в графите, где связи очень сильные, но лишь в двух направлениях, а в третьем направлении между слоями связи исключительно слабые, в результате вещество получается тоже мягким.

Исходя из этих сведений, а также из анализа известных сверхтвёрдых материалов, предполагается подбор оптимального химического состава и запуск компьютерного предсказания новых материалов.


Результат

В качестве результата решения кейса предполагается следующее:

  1. Будет проведён анализ существующих сверхтвёрдых материалов и определены перспективные для изучения химические составы
  2. Будет проведён масштабный компьютерный поиск новых сверхтвёрдых материалов с заданным составом
  3. По результатам поиска будут отобраны стабильные и метастабильные материалы, проанализированы их структуры
Требования

  • Не противоречащая законам физики и химии структура материалов.
  • Оптимальные характеристики предсказанных материалов (термодинамическая стабильность, твёрдость, плотность).

Ограничения
  • отобранные материалы должны быть сверхтвёрдыми (твёрдость более 40 ГПа)
  • химические компоненты предсказанных материалов должны быть доступными
  • предложенный материал должен быть конкурентоспособен на мировом рынке