Классические и квантовые атомистические модели отклика конденсированных сред на интенсивные энергетические воздействия

• Автор: Стегайлов, Владимир Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 217 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Первоначальная идея метода МД и его фактические возможности ®

1.1 Первоначальный замысел ММД

1.2 Представления о веществе, развиваемые в ММД

1.3 Некоторые выводы из результатов ММД

2 Разработка межатомных потенциалов взаимодействия

2.1 Особенности процедуры force-matching

2.2 ЕАМ-потенциал для системы молибден-ксенон

2.3 ЕАМ-потенциал для золота, зависящий от электронной температуры

3 Нуклеация новой фазы и фазовые переходы
3.1 Гомогенная нуклеация в перегретой меди
3.2 Движение фронта плавления
3.3 Расчет кривых плавления металлов при высоком давлении
3.4 Предплавление металлов при высоком давлении
3.5 Кавитация в жидкости
4 Анализ пластической деформации на основе моделей одиночной дислокации ЮО
4.1 Движение одиночной дислокации в монокристалле
4.2 Взаимодействие дислокаций и препятствий
5 Разрушение при импульсном нагружении
5.1 Структурные превращения в монокристаллическом железе при ударноволновом сжатии и растяжении
5.2 Влияние дефектов на зарождение полостей

5.3 Теория зарождения и роста полостей (NAG)
6 Радиационные повреждения: образование и эволюция дефектов
6.1 Энергетическая иерархия дефектов
6.2 Зависимость коэффициента диффузии дефектов от температуры
6.3 Особенности моделирования каскада и эволюция облученной системы
6.4 Расчет констант реакций взаимодействия различных типов дефектов
7 Разогретое плотное состояние вещества и лазерная абляция
7.1 LiF в состоянии разогретого плотного вещества
7.2 Лазерная абляция золота
Литература

Введение
Диссертация посвящена разработке совокупности теоретических положений для создания моделей, основанных на атомистическом уровне описания вещества, для расчета отклика конденсированных сред на такие интенсивные энергетические воздействия как распространение ударной волны, облучение ультракороткими лазерными импульсами, радиационное повреждение продуктами деления. Рассмотренные явления объединяет необходимость исследования релаксационных процессов в сильнонеравновесных состояниях конденсированных сред. В работе показано, что с использованием современных суперкомпьютерных вычислительных возможностей для этих целей можно эффективно применять атомистические модели, основанные на классической динамике многочастичных систем. Исследованы стохастические свойства метода молекулярной динамики (МД), существенные для рассмотренных задач. Развита методика использования квантовых методов расчета электронной структуры для параметризации моделей межатомных потенциалов. Созданы и проанализированы модели элементарных процессов при фазовых переходах, пластической деформации, разрушении, радиационных повреждениях и возможные способы многомасштабного описания.
Актуальность работы. Развитие экспериментальной техники, освоение нано-, пико-и фемтосекундных диапазонов открывает возможности получения сильно неравновесных состояний конденсированных веществ. Упомянем сильные ударные волны, нагрев фемтосекундным лазером, наносекундный электровзрыв проводников и др. Последовательное теоретическое описание указанных явлений должно исходить из представлений о динамической эволюции многоатомных систем. Аналогичные задачи возникают при построении теории радиационных повреждений материалов, исходной точкой которой должно являться атомистическое описание ионных треков и/или столкновительных каскадов.
Мощным инструментом развития теории конденсированного состояния является классический метод МД. Метод основан на решении классических уравнений движения многочастичной системы. Используя адекватные потенциалы межчастичного взаимодействия, можно исследовать на атомистическом уровне широкий класс физических явлений в жидкостях, твердых телах, неидеальной плазме, биомолекулярных системах.

то специфические статистические закономерности можно начинать изучать с трёх частиц. Так, например, равновесные распределения можно получать уже для трех (даже двух) частиц в ограниченном объеме при усреднении по времени вдоль МД траектории, длительность которой много больше Эти распределения становятся близкими к максвелловскому во все большем интервале энергий по мере роста N [173]. При использовании столь же длинных траекторий, свойства кластеров и их зависимость от N можно исследовать, начиная с трёхчастичных [174]. Недавно задача о кластерах приобрела новое актуальное звучание в связи с теоретическим анализом и МД моделированием малых кластеров в пылевой плазме. Близость к максвелловскому распределениий скоростей частиц в таких кластерах установлена и экспериментально, см. [173] и приведенные там ссылки.
При исследовании однородных систем в рамках периодических граничных условий (ПГУ) можно определять погрешность такого подхода по отношению к бесконечным однородным системам и её зависимость от числа частиц N (или Л^-1), начиная с N = 3. Конечно, для исследования многих свойств, в отличие от получения максвелловского распределения, выбор малого N может оказаться совершенно бессмысленным. Таким образом, выбор N определяется не из принципиального требования обеспечить выполнение статистических закономерностей, а диктуется размерами системы, характерными для задачи, которую предполагается исследовать, т.е. из конкретных физических соображений. При этом с увеличением N расширяется богатство свойств и процессов, которые возникают в системе. Соответственно, требуются все новые и новые инструменты для их исследования.
Выбор значения N (или размера МД ячейки Ь), минимально допустимого для поставленной задачи, определяется масштабами пространственных и временных корреляций и неоднородностей, характерных для этой задачи. Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Пространственные ограничения. Если рассчитывается парная корреляционная функция д(г), то N >> пгс3, где п - концентрация частиц, гс - область расстояний, которая исследуется. Величина гс может соответствовать как расстоянию до первого или какого-то последующего максимума или минимума, так и до области, где д(г) асимптотически стремится к единице.
Радиусы корреляции гы определяются не только д(г), но и другими пространственными характеристиками: в системе существует иерархия корреляций гл < гс2 < гс3 < которой соответствует иерархия < Л£2 < < ..., где /V, = пдД. Выбирая то или иное
значение IV, мы тем самым обрываем ряд корреляций, которые можно будет исследовать в