От геологии до спинтроники. Биметаллические системы будущего
Российские физики из МГУ, Института физики прочности и материаловедения (г.Томск) и Сколтеха совместно с зарубежными коллегами из Израиля изучили влияние параметров холодного спекания биметаллического нанопорошка на структуру, плотность и топологию Fe-Cu-нанокомпозитов.
Эти биметаллические системы являются перспективной основой для создания композиционных материалов, в которых прочность, износостойкость и устойчивость к коррозии сочетаются с высокой тепло- и электропроводностью. Такие материалы могут использоваться в высокотехнологичной промышленности: от высоковольтных скользящих контактов до спинтроники.
Результаты работы Дмитрий Ивонин, аспирант кафедры математического моделирования и информатики физического факультета МГУ
С помощью суперкомпьюютера МГУ «Ломоносов-2» учёные провели полноатомное молекулярно-динамическое моделирование процесса получения нанокомпозитов из биметаллических наночастиц железа и меди для выявления зависимости атомной структуры, топологии и плотности Fe-Cu-нанокомпозитов от давления консолидации и компонентного состава исходного нанопорошка.
«Биметаллические Fe-Cu системы позволят создавать материалы и покрытия с улучшенными трибологическими свойствами, износостойкие материалы с высокой тепло- и электропроводностью, они также перспективны в качестве основы биодеградируемых имплантов с антимигробным эффектом, знаю, сейчас в Томске ведутся соответствующие исследования», – дополнил Алексей
Одним из способов получения наноструктурированных биметаллических композитных материалов на основе Fe-Cu является консолидация нанопорошка Fe-Cu-наночастиц в условиях высокого давления и температуры значительно ниже температуры плавления, – так называемое холодное спекание.
Основные параметры, характеризующие продукт холодного спекания, – это относительная плотность и пористость. Ключевой является зависимость этих параметров от давления консолидации.
Один из подходов к описанию и анализу многокомпонентных и многофазных систем со сложной структурой основан на изучении их топологических характеристик – например, с использованием топологических инвариантов, которыми являются функционалы Минковского. Такой подход удобен для анализа сред со сложной внутренней структурой: почв, горных пород, пен, керамики и других пористых сред. Его применение в материаловедении открывает новые возможности для оценки связей между структурой и свойствами материалов и покрытий.
С этой целью в лаборатории математического моделирования сложных естественных и инженерных систем МГУ имени М.В. Ломоносова для модельных образцов Fe-Cu-нанокомпозитов выполнили оценку четырех функционалов Минковского: удельных объема и площади, интегральной средней кривизны поверхности, характеристики Эйлера – Пуанкаре. Функционалы вычислили для пространственного распределения как химических элементов, так и типов их кристаллических решеток.
В числе прочего удалось установить их зависимость от различных условий холодного спекания: давления консолидации и состава исходного нанопорошка.
«На основе значений функционалов Минковского можно предсказать некоторые физические свойства материала, – продолжает Дмитрий. – Поэтому полученные в исследовании оценки функционалов для Fe-Cu-нанокомпозитов и их зависимость от параметров холодного спекания имеют большое значение для предсказания свойств и формализации связи «структура – свойство» этого класса материалов»
