Лаборатория цифрового материаловедения

Разнообразные фазовые переходы первого рода в своем развитии проходят через одни и те же стадии, первая из которых является стадия нуклеации представляющая наибольший интерес и наибольшую сложность при изучении. В теории этой стадии тесно переплетаются вопросы термодинамики малых систем и описания процесса преодоления зарождающимися частицами энергетического барьера. Для достижения детального понимания нуклеации необходимо применение методов компьютерного моделирования. Малые размеры зарождающегося ядра новой фазы требуют учёта вкладов границы раздела, поверхностной энергии, релаксации механических напряжений в энергию кривизны и прочие особенности низкоразмерных материалов. Для этого необходимо проведение высокоточного моделирования, учитывающего все эти параметры, что, однако, является крайне сложной задачей для текущего инструментария вычислительного материаловедения. Действительно, традиционные методы теории функционала электронной плотности, хотя и позволяют достаточно точно рассчитывать свойства атомарных систем из первых принципов, тем не менее лимитированы имеющимися вычислительными мощностями. Это ограничивает их применимость периодическими структурами, состоящими из сотен атомов. В то же время задача описания нуклеации новых фаз требует описание систем с числом атомов до 10^4-10^6 атомов. С другой стороны, нетребовательные к вычислительным ресурсам эмпирические потенциалы позволяют описывать большие системы содержащие миллионы атомов. Но до недавнего времени параметризация этих потенциалов ограничивалась своими (часто довольно узкими) модельными системами, не предназначенными для моделирования переходных состояний и новых фаз, что является необходимым условием изучения фазовых трансформаций. Однако, ситуация кардинально изменилась в последнее время с появлением эмпирических потенциалов машинного обучения, которые могут быть обучены на большом наборе данных, получаемых с помощью расчётов из первых принципов. Таким образом, одной из задач проекта является разработка таких потенциалов описывающих взаимодействие с точностью методов из первых принципов, позволяющих моделировать требуемое число атомов в структурах. Параметризованные потенциалы будут применены для научного исследования фазовой трансформации в углеродных системах, переходе графит-алмаз и многослойный графен-сверхтонкая алмазная плёнка (диаман), а в дальнейшем могут быть использованы для описания фазовых переходов и в других системах и наноматериалах.