Modelowanie ab initio stopów o wysokiej entropii

Stopy o wysokiej entropii (HEA – z ang. high-entropy alloys) są nowym typem materiałów o wyjątkowej mikrostrukturze i właściwościach. Stopy te składają się z 4 lub więcej składników o zbliżonym stężeniu molowym. Wysoka entropia konfiguracyjna związana z obecnością różnych rodzajów pierwiastków hamuje tworzenie się kruchych faz międzymetalicznych i promuje nieuporządkowane wieloskładnikowe roztwory stałe, które posiadają bardzo unikalne właściwości. Wstępne badania eksperymentalne pokazują, że HEA charakteryzują się bardzo dobrą odpornością na promieniowanie radiacyjne, co czyni je atrakcyjnymi kandydatami do zastosowań w elementach konstrukcyjnych przyszłych reaktorów jądrowych lub syntezy termojądrowej.

Ze względu na olbrzymią liczbę kombinacji zarówno doboru pierwiastków jak również ich stężeń, eksperymentalne przebadanie wszystkich kombinacji stopów z technicznego punktu widzenia jest niemożliwe. Dlatego też wskazane jest teoretyczne zrozumienie wpływu pierwiastków oraz ich stężenia w wieloskładnikowym stopie na stabilność fazową oraz podstawowe właściwości tego stopu.  Najwłaściwszą metodą teoretyczną do badania nowych materiałów jest metoda ab initio a dokładniej metoda oparta na teorii funkcjonału gęstości (DFT – z ang. density functional theory). Jej najważniejszą zaletą jest to, że nie wymaga danych eksperymentalnych – istniejące dane doświadczalne potrzebne są wyłącznie do weryfikacji wybranego modelu. Największym ograniczeniem metod DFT jest to, że są one kosztowne i maksymalna liczba atomów w symulacjach jest mocno ograniczona. Z tego względu DFT używa się zazwyczaj w połączeniu z metodami w wyższych skalach.

Podczas seminarium zostaną przedstawione wybrane metody oparte na DFT. W szczególności skoncentruję się na połączeniu DFT z metodą rozwinięcia klastrowego (ang. cluster expansion) i symulacjami Monte Carlo (MC), które mogą być stosowane do badania stabilności fazowej w funkcji temperatury i stężenia poszczególnych pierwiastków jak również do wytwarzania reprezentatywnych struktur stopów do dalszych obliczeń DFT. Na przykładzie niemagnetycznych stopów RPC Cr-Ta-Ti-V-W oraz magnetycznych stopów RSC Fe-Cr-Mn-Ni zaprezentuję w jakim stopniu uporządkowanie bliskiego zasięgu oraz temperatura przejścia porządek-nieporządek zależy od stężeń poszczególnych pierwiastków i w jaki sposób taka wiedza może posłużyć do projektowania nowych stopów o zwiększonej jednorodności atomów. Wyniki symulacji komputerowych są w bardzo dobrej zgodności z wynikami eksperymentalnymi uzyskanymi dla próbek stopów Cr-Ta-Ti-V-W wytwarzanych przy użyciu topienia łukowego. Analiza wyników doświadczalnych wykazała m.in., że stop Ta-Ti-V-W jest prawie idealnym roztworem stałym, podczas gdy w innych stopach zaobserwowano wyraźne wydzielenia. Badania doświadczalne wykonane we współpracy z NCBJ wykazały również, że stop Ta-Ti-V-W posiada również bardzo dobre właściwości radiacyjne.

W dalszej części seminarium, przedstawię rolę defektów punktowych i zanieczyszczeń w stopach jak również metody teoretyczne umożliwiające ich badanie. Na końcu zaprezentuję metodę tworzenia potencjałów do dynamiki molekularnej przy użyciu kombinacji metod DFT oraz uczenia maszynowego, która jest tematem mojego aktualnego projektu.

Czytaj wiecej (wersja angielska): http://nomaten.ncbj.gov.pl

Dr Jan S. Wróbel

Curriculum Vitae

Dr inż. Jan Wróbel jest adiunktem na Wydziale Inżynierii Materiałowej (WIM) Politechniki Warszawskiej (PW). Tematyka jego badań naukowych dotyczy przede wszystkim modelowania właściwości materiałów przy użyciu metody ab initio opartej na teorii funkcjonału gęstości (DFT - z ang. density functional theory), której używał zarówno podczas pracy magisterskiej na Wydziale Fizyki PW jak również podczas pracy doktorskiej na WIM PW. Po obronie doktoratu w czerwcu 2012 r. dr inż. Jan Wróbel pracował na stanowisku post-doc w grupie Materials Modelling kierowanej przez Prof. Sergei’a Dudarev’a w Culham Centre for Fusion Energy w Anglii, gdzie przez 2,5 roku był zaangażowany w projekcie Accelerated Metallurgy. W ramach tego projektu, był on odpowiedzialny razem z Prof. Duc Nguyen-Manh za modelowanie DFT stabilności fazowej wieloskładnikowych stopów do zastosowań w reaktorach syntezy termojądrowej.

Po powrocie do Polski, dr inż. Jan Wróbel został kierownikiem projektu pt. „Modelowanie ab initio stabilności fazowej i właściwości stopów o wysokiej entropii” w ramach programu HOMING, finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Obecnie jest kierownikiem projektu SONATA pt. „Ewolucja mikrostruktury w stopach o wysokiej entropii Ta-Ti-V-W: od symulacji ab initio do technologii druku 3D”, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Od roku 2017, dr inż. Jan Wróbel jest również liderem zadania w pakiecie the IREMEV (Irradiation Effects Modelling and Experimental Validation) w projekcie EUROfusion.

Dr inż. Jan Wróbel jest autorem 31 artykułów w międzynarodowych czasopismach, z czego 8 jest powiązanych z tematyką stopów o wysokiej entropii. Jego artykuły były cytowane ponad 500 razy a współczynnik Hirsh’a jest równy 13. Dr inż. Jan Wróbel był laureatem konkursu START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej oraz członkiem grupy “Materials for Fusion and Fission” na Uniwersytecie Oksfordzkim, kierowanej przez Prof. Steve’a Roberts’a. Odbył również staż w grupie Prof. Georg’a Kresse’go na Uniwersytecie Wiedeńskim, gdzie powstał i jest obecnie rozwijany jeden z najpopularniejszych programów do obliczeń DFT (VASP).