Наука - практике

Функциональные материалы: реальность и перспективы

Вторая премия ОИЯИ в области научно-методических исследований была присуждена за цикл работ "Комплексный метод исследования перспективных функциональных материалов с помощью квантовой химии, нейтронного рассеяния и оптической спектроскопии" (авторы В.Ю.Казимиров, М.Б.Смирнов, А.М.Балагуров, И.Натканец). Сегодня мы знакомим читателей с этими исследованиями.

Под термином "функциональные материалы" понимают широкий класс веществ, которые используются в самых разнообразных областях современной жизни: от микроэлектроники до космических исследований и обладают вполне определенными, желательно настраиваемыми, физическими и химическими свойствами. К таким материалам, в частности, могут быть отнесены композиты, сплавы, полимерные соединения. Создание оптимального материала требует усиления или подавления каких-либо свойств в уже имеющемся материале ("тюнинг") и невозможно без привлечения современных экспериментальных и теоретических подходов. Для понимания процессов, приводящих к появлению тех или иных свойств конкретного вещества, надо знать его атомную структуру, которую можно назвать "фотографией" последствий взаимодействия различных элементов структуры к моменту ее окончательного формирования. Имея такую "фотографию", можно целенаправленно менять свойства материала.

Для получения информации об атомной структуре широко используются дифракционные методы, оптическая спектроскопия, электронная микроскопия и другие. Несмотря на то что к настоящему времени эти экспериментальные методы хорошо развиты, обойтись без привлечения теоретических (модельных) представлений, как правило, не удается. Продолжим аналогию с фотографией: на черно-белом снимке бывает сложно понять, какого цвета тот или иной объект. С другой стороны, теоретические методы дают возможность "предсказывать" изменение структуры и свойств вещества, например при изменении внешних условий или при введении примесей в матрицу основного вещества.

В последние годы для моделирования свойств материалов широкое применение нашли методы квантовой механики (в более узком смысле методы квантовой химии). Во времена Н.Бора, В.Гейзенберга, Э.Шредингера, П.Дирака можно было "посчитать" лишь условно простые объекты, например атом водорода, в лучшем случае атом гелия. Качественный скачок произошел в результате изменения подходов к проблеме многочастичных систем внутри самой квантовой механики - была создана теория функционала плотности, за что в 1998 году В.Кон и Д.Попл получили Нобелевскую премию по химии. И, кроме того, экспоненциально выросла производительность компьютеров.

В цикле работ сотрудников ЛНФ имени И.М.Франка и Института физики имени В.А.Фока, получившем вторую премию ОИЯИ за 2012 год, расчетные и экспериментальные методы объединены для анализа свойств нескольких типов функциональных материалов. В первой его части изучаются не вполне обычные вещества, которые называют металлическими стеклами, представляющие собой, как правило, многокомпонентные сплавы с аморфной атомной структурой. Подобного рода объекты в виде тонких пленок или фольг были синтезированы впервые в середине прошлого века, однако долгое время оставались малодоступны для исследования по причине высокой стоимости и сложности изготовления. Ближе к концу ХХ века удалось синтезировать массивные образцы металлических стекол, которые обнаружили выдающиеся физические характеристики по сравнению с обычными поликристаллическими сплавами. Зачастую они имеют очень высокие механические свойства (прочность, износостойкость), коррозионную стойкость, электрическую проводимость и теплопроводность (в отличие от "ординарных" силикатных стекол), а в некоторых случаях и интересные магнитные свойства.

В связи с широкими перспективами использования металлических стекол в качестве функциональных материалов назрела настоятельная необходимость подробного исследования их структуры и свойств. Проведенные исследования в основном были посвящены изучению так называемых аморфных сталей - металлических стекол, основным компонентом которых является железо. Эксперименты по дифракции нейтронов позволили изучить атомную структуру металлических стекол и предложить интерпретацию их физических свойств на основе методов квантовой механики.

Использование аналогичного подхода (нейтронный эксперимент плюс квантовая теория) позволило получить серию интересных результатов в отношении веществ совершенно иного структурного класса - кристаллов. В качестве объектов использовались сложные оксиды никеля и ванадия, демонстрирующие структурный полиморфизм и широко применяющиеся в электрохимических и каталитических приложениях. Под пресс эксперимента и теории попал и так называемый циркон, ZrSiO₄, полиморфы которого активно используются в различных областях индустрии, таких как ядерная энергетика, микроэлектроника, топливные элементы, гетерогенный катализ. Детальное знание структуры и причин наблюдаемых фазовых превращений в этих соединениях необходимо для управления их физическими свойствами. Однако зачастую даже определение структуры трудновыполнимо в силу всякого рода дефектов и сосуществования при одних и тех же условиях нескольких фаз. В этом случае приходится прибегать к комплементарным методам, таким, например, как рамановское рассеяние, спектры которого могут служить индикатором появления/исчезновения той или иной фазы при определенных условиях. В свою очередь, интерпретация рамановских спектров - весьма нетривиальная задача, решение которой в немалой степени зависит от правильно выбранной теоретической модели. В отношении всех соединений были использованы методы теории функционала плотности, подобные тем, которые применялись к металлическим стеклам. В результате проведенных исследований были выявлены механизмы наблюдавшихся фазовых превращений и предложены возможные пути улучшения их технологических характеристик.

В целом следует отметить, что использованный подход оказался чрезвычайно плодотворным и универсальным, он с успехом может быть применен к исследованию конденсированных сред различной природы. Можно не сомневаться, что в дальнейшем подобный симбиоз теории и эксперимента позволит моделировать свойства материалов и синтезировать их по мере необходимости.

Вячеслав КАЗИМИРОВ,
старший научный сотрудник группы нейтронного рассеяния ЛНФ