КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-12-00022

НазваниеТеоретические, симуляционные и экспериментальные исследования физико-механических особенностей аморфообразующих систем с неоднородными локальными вязкоупругими свойствами

РуководительМокшин Анатолий Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Года выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые словаСтруктурная релаксация, плотные жидкости, вискозиметрия, мягкие моды, коллективные возбуждения, вязкость, теплопроводность, жидкие металлы, кристаллизация, аморфообразующая способность, динамическая неоднородность, молекулярная динамика, вязкоупругость

Код ГРНТИ31.15.21


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Настоящий проект посвящен исследованию специфики вязких и квазиупругих свойств, проявляющихся на диапазоне пространственных масштабов в неупорядоченных конденсированных системах (таких как равновесные высокоплотные жидкости, переохлажденные жидкости, стекла, аморфные металлические пены); исследованию роли локальных вязкоупругих свойств в структурных трансформациях и влиянию этих свойств на аморфообразующие способности систем. Обозначенная проблема является актуальной как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения значимости прикладных аспектов, связанных с ее решением. Благодаря уникальным механическим и физико-химическим свойствам, аморфообразующие материалы в настоящее время рассматриваются как перспективные современные материалы, которые находят свое применение в самых разнообразных областях, начиная от стоматологии, медицины и ядерной энергетики, вплоть до применений в сфере высоких технологий в космонавтике. Развитие современных технологий приводит к тому, что объемные аморфные фазы удается получать даже для таких экзотических в этом отношении систем как бинарные и тернарные металлические системы, вода (аморфный лед), гибридные полимерные и металло-органические "соединения". Таким образом, исследование физических свойств аморфообразующих материалов, выявление ключевых критериев, способствующих формированию аморфных фаз, изучение релаксационных процессов и возможных структурных трансформаций является весьма актуальным и востребованным. С другой стороны, несмотря на наличие различных феноменологических подходов и теорий, описывающих процессы стеклования, а также процессы многорежимной структурной релаксации, локального упорядочения, одночастичной и коллективной динамики в неупорядоченных конденсированных системах, соответствующее общее теоретическое описание отсутствует до сих пор. Здесь очевидна необходимость в применении совершенно новой методологии для решения данной проблемы. Таким образом, понимание аморфизации/стеклования и сопряженных с ним процессов представляет собой одну из самых актуальных, но все еще нерешенных задач современной фундаментальной физики. Настоящий проект нацелен (1) на развитие обобщенной кинетической модели сдвиговой вязкости переохлажденных жидкостей и стекол; (2) на выявление ключевых особенностей в кинетике высокоплотных неупорядоченных систем, определяющих их способность формировать устойчивые аморфные фазы (glass-forming ability); (3) на исследование связи распределения локальных вязкоупругих свойств систем с их аморфообразующими способностями; (4) на исследование начальных этапов кристаллической нуклеации и роста кристаллических фаз в переохлажденных жидкостях и стеклах; (5) на исследование зависимостей характеристик кинетики и термодинамики процесса кристаллической нуклеации от температуры и давления; (6) на исследование особенностей кристаллизации квазиобъемных аморфных структур и аморфных пленок; изучение влияния размерных эффектов и геометрии аморфной системы на процессы кристаллической нуклеации и роста; (7) на исследование квазиупругих свойств в равновесных высокоплотных жидкостях и переохлажденных жидкостях; (8) на развитие микроскопического описания релаксационной динамики аморфообразующих систем.

Ожидаемые результаты
Реализация настоящего проекта позволит получить следующие значимые результаты. (1) Будет развита микроскопическая теория структурной релаксации равновесных высокоплотных жидкостей, согласующаяся с (обобщенной) гидродинамикой и дающая корректную экстраполяцию результатов в предел свободнодвижущейся частицы; согласующаяся с современными экспериментальными данными нейтронной и рентгеновской спектроскопии. Теория позволит рассчитывать характеристики коллективной продольной и поперечной динамики, дисперсионные соотношения и коэффициенты переноса (диффузии, вязкости) в равновесных высокоплотных жидкостях. (2) Будет разработан оригинальный метод конструирования эффективных потенциалов межчастичного взаимодействия в высокоплотных неупорядоченных системах, реализуемый на основе методов искусстввенных нейронных сетей и генетических алгоритмов. (3) Будет развита и реализована оригинальная методика молекулярно-динамического расчета модельных аморфных пористых систем и аморфных металлических пен. Будут исследованы упруго-пластические свойства систем; будут определены оптимальные плотности пористости аморфных металлических пен, при которых аморфообразующая способность систем является сильно выраженной. (4) Будут получены универсальные масштабные соотношения для температурных зависимостей термодинамических и кинетических характеристик кристаллизации в объемных и квази-трехмерных аморфных системах. (5) Будет развита обобщенная кинетическая модель вязкости выскоплотных систем с различными стеклообразующими свойствами и предложена классификация высокоплотных жидкостей по их стеклообразующим способностям, альтернативная известной классификации Энжелла (сильные-хрупкие). (6) Будут выявлены ключевые локальные структурные и кинетические характеристики, определяющие стеклообразующие свойства высокоплотных систем. Будет развито описание микроскопических структурных и локальных вязкоупругих свойств стеклообразующих систем при внешних механических воздействиях. (7) Будет развито теоретическое скейлинг-описание морфологии кристаллических зародышей в стекольных системах при деформации. Результаты проекта позволят внести существенный вклад в решение одной из самых актуальных нерешенных задач современной физики конденсированного состояния, связанной с описанием динамики высокоплотных неупорядоченных сред, структурных трансформаций и переходов в них. Результаты будут способствовать значительному прогрессу в современном материаловедении, в разработке новых перспективных материалов с уникальными свойствами (фармацевтические и медицинские материалы и препараты, полупроводники, биоматериалы и другие). Результаты исследований будут опубликованы в высокорейтинговых журналах, входящих в систему цитирования Web of Science и относящихся к квартилям Q1 и Q2 (предполагаемые журналы приводятся в п. 4.6).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На первом этапе настоящего проекта была организована научно-исследовательская работа по всем трем направлениям, связанным с выполнением экспериментальных измерений, классических молекулярно-динамических и квантово-механических расчетов, а также с развитием соответствующих теоретических моделей и концепций. Ниже приводится описание выполненной в отчетном году работы и наиболее важные полученные результаты. Развита оригинальная самосогласованная релаксационная теория, описывающая коллективную динамику частиц (атомов, молекул, ионов) в равновесных высокоплотных жидкостях на всем интервале волновых чисел: от гидродинамического предела до области значений коротких длин волн. Ключевые особенности данной теории, отличающие ее принципиальным образом от существующих на сегодняшний день теорий и теоретических моделей, заключаются в следующем: (1) теория единым образом позволяет описать релаксационные процессы в жидкостях, соотносимые с продольной и поперечной динамикой частиц; (2) теория предсказывает и воспроизводит наличие микроскопических квазитвердотельных свойств в высокоплотных жидкостях - а именно свойства, проявляющиеся в появлении ненулевой эффективной сдвиговой жесткости, что обнаруживается из анализа самых последних экспериментов по неупругому рассеянию нейтронов и рентгеновских лучей; (3) теория применима для всего диапазона волновых чисел и верно воспроизводит асимптотические решения как в гидродинамическом (длинноволновом) пределе, так и в коротковолновом пределе, соответствующем динамике свободной частицы; (4) в качестве входных параметров теории используются лишь межчастичное взаимодействие [при этом нет ограничений на характер реализуемого межчастичного взаимодействия] и структурные параметры; отсутствуют абстрактные подгоночные параметры и не используется никаких приближений на конкретный вид релаксационных функций; (5) теория удовлетворяет одному из базовых положений спектроскопической науки: способна воспроизводит все так называемые «правила сумм»; (6) теория выступает обобщением равновесной гидродинамической теории и теории взаимодействующих (связанных) мод; (7) теория позволяет рассчитать спектры экспериментально измеряемых величин: динамический структурный фактор, плотность колебательных состояний многочастичной системы, коэффициенты переноса (самодиффузия, вязкость, теплопроводность, температуропроводность), скорость распространения звука, коэффициент затухания звука, модуль сдвиговой жесткости и т.д.; позволяет выполнить детальную характеризацию экспериментальных данных по неупругому рассеянию света, нейтронов и рентгеновских лучей. Выполнено молекулярно-динамическое моделирование кристаллизующейся при различных условиях переохлаждения ультратонкой металлической пленки толщиной от пяти атомарных слоев и более. Охватывались состояния, соответствующие переохлажденному расплаву и аморфному сплаву. По характеру межчастичного взаимодействия моделируемая система может соответствовать системам на основе железа и алюминия. Выполнена работа по развитию оригинального метода анализа морфологии кристаллических зерен и формы кристаллитов, формирующихся в условиях ограниченной геометрии. Отдельное внимание уделялось исследованию физических свойств поверхностного слоя формирующихся кристаллических доменов. Результаты выполненных молекулярно-динамических расчетов сопоставлялись с экспериментальными данными по дифракции рентгеновских лучей для этих систем. Соответствие результатов моделирования экспериментально измеренным дифрактограммам позволило по полученным конфигурационным данным выявить действительные морфологические особенности зарождающихся и растущих кристаллических доменов. Выполнена работа по установлению характерных универсальных режимов в эволюции распределения кристаллических доменов по размерам в процессе кристаллизации. Проведена работа по обнаружению основных механизмов, приводящих к коалесценции (сращиванию) кристаллических доменов, и оценено влияние глубины переохлаждения на механизмы их сращивания. В рамках адаптированного фрактального анализа развит алгоритм аккуратной количественной оценки практически всех морфологических характеристик формирующихся кристаллических доменов: полный линейный размер, линейный размер коровой (однородной) части, толщина поверхностного слоя домена. Выполнена оценка зависимости морфологических характеристик от глубины переохлаждения системы. Была организована работа по исследованию структурного упорядочения в квази-двумерных системах в условиях устойчивого неравновесия. В этом случае в качестве возмущения может выступать не только внешнее поле, но также специфика ограничивающих систему поверхностей (например, тип и геометрия-форма подложки). Выполнены крупномасштабные молекулярно-динамические исследования процесса кристаллизации тонкой пленки переохлажденной воды, заключенной между параллельными идеально ровными слоями графена. При этом на систему накладывалось внешнее однородное постоянное электрическое поле. Кристаллизация такой системы определяется тремя ключевыми мотивами: обычная релаксация метастабильной неупорядоченной фазы в кристаллическую фазу, влияние конфайнмента и влияние внешнего поля. Стационарное электрическое поле накладывалось в двух направлениях: перпендикулярно и параллельно графеновым слоям и при различных значениях напряженности электрического поля. Выполнен детальный структурный и кластерный анализы на основе вычисления локальных параметров ориентационного порядка, проведения процедуры триангуляции Делоне и построения многогранников Вороного; реализована статистическая обработка результатов молекулярно-динамического счета. Это позволило определить наиболее вероятные траектории эволюции неупорядоченной системы в упорядоченную фазу, выполнить оценку скорости фазового перехода. Особое внимание уделялось выявлению условий, способствующих формированию кристаллической фазы с квадратной решеткой, которая является экзотической для данной системы при выбранных термодинамических условиях. Выполнено сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными группы А. Гейма для воды [A.K. Geim et al., Nature 519, 443 (2015)], а также для железа [Science 343, 1228 (2014)] в конфайнменте графена. Выполнены эксперименты по измерению концентрационных и температурных зависимостей коэффициента вязкости ряда бинарных и тернарных расплавов на основе железа, циркония и меди для температурных областей, соответствующих равновесному расплаву и переохлажденному расплаву. Выполнены крупномасштабные молекулярно-динамические расчеты вязкостных свойств ряда металлических расплавов (CuAl, CuZr, CuMg, AlZr, AlCuZr, AgCuZr). Получены экспериментальные температурные зависимости кинематической вязкости жидкого чистого алюминия и расплавов AlNi с малым содержанием никеля (до 1 ат.% включительно); для протоколов нагрева и охлаждения температурные зависимости являются практически идентичными. На политермах вязкости жидкого алюминия и расплавов алюминия с содержанием никеля до 0.5 ат.% обнаруживаются выраженные особенности в области температур 880 – 920 °С, проявляемые в виде излома на зависимости логарифма вязкости от обратной абсолютной температуры. Установлено, что выраженность излома политерм уменьшается с увеличением концентрации легирующего элемента. Выполнены молекулярно-динамические расчеты температурных зависимостей вязкости этих расплавов и обнаружено хорошее согласие симуляционных результатов с экспериментальными результатами. Установлено, что экспериментально наблюдаемые нами особенности в концентрационных и температурных зависимостях сдвиговой вязкости обусловлены существенными структурными изменениями (меняется характер локальной структуры расплавов) и образованием относительно устойчивых кластеров типа «никель в окружении алюминия». На примере кристаллизующихся молекулярных стекол различных типов (орто-терфенил, гризеофульвин, трис-нафтилбензол, индометацин, нифедипин) обнаружена возможность применения универсальных масштабированных соотношений для описания экспериментально измеренных температурных зависимостей коэффициента поверхностной самодиффузии - одной из ключевых характеристик кинетики кристаллизации молекулярных стекол. Установлено, что коэффициент поверхностной самодиффузии как функция приведенной температуры воспроизводится степенным законом и масштабируется универсальным образом для всех рассмотренных систем. На основе анализа экспериментальных данных обнаружена взаимосвязь между характеристиками кинетики кристаллизации, индексом хрупкости и критерием аморфообразующей способности системы. Показано, что данная взаимосвязь может быть аналитически получена с учетом обобщенного (дробного) соотношения Эйнштейна-Стокса.

 

Публикации

1. - Amorphous materials will be used in medical and industrial applications EurekAlert! Science News Releases - American Association for the Advancement of Science, - (год публикации - ).

2. - Физики КФУ займутся проблемой разработки уникальных материалов с заданными свойствами для медицины, энергетики, машино- и авиастроения Медиапортал КФУ, - (год публикации - ).

3. - Физики КФУ займутся проблемой разработки уникальных материалов с заданными свойствами для медицин, энергетики, машино-и авиастроения Медиапортал Института физики КФУ, - (год публикации - 2019).

4. - Amorphous materials will be used in medical and industrial applications EurekAlert! Science News Releases - American Association for the Advancement of Science (https://www.eurekalert.org/), - (год публикации - 2019).

5. - Ученые из Казани разработали компьютерную модель для тестирования металлических сплавов ТАСС, - (год публикации - 2019).

6. - Исследователи КФУ разработали матмодель для тестирования сплавов Портал "Научная Россия", - (год публикации - 2019).

7. - Физики КФУ займутся проблемой разработки уникальных материалов с заданными свойствами для медицины, энергетики, машино- и авиастроения Медиапортал КФУ, - (год публикации - 2019).

8. Бельтюков А.Л., Ладьянов В.И., Стерхова И.В. Effect of small nickel additions on viscosity of liquid aluminum Journal of Molecular Liquids, Vol. 296, page 111764 (год публикации - 2019).

9. Галимзянов Б.Н., Ладьянов, В.И., Мокшин А.В. Remarkable nuances of crystallization: From ordinary crystal nucleation to rival mechanisms of crystallite coalescence Journal of Crystal Growth, Vol. 526, page 125214 (год публикации - 2019).

10. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Конкурирующие механизмы роста и слияния кристаллов в переохлажденных жидкостях и стеклах Тезисы XVIII Школы-конференции молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений". - 2019., с. 50-51 (год публикации - 2019).

11. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Расчет характеристик формирования и роста нанокристаллических структур в переохлажденной металлической пленке по данным моделирования Наноматериалы и технологии — VIII : труды VIII Международной конференции «Наноматериалы и технологии« (24–28 августа 2019 г.) / науч. ред. В. В. Сызранцев. — Улан-Удэ : Издательство Бурятского госуниверситета, 2019. — 496 с., с. 445-448 (год публикации - 2019).

12. Галимзянов Б.Н., Никифоров Г.А., Мокшин А.В. Расчет характеристик формирования аморфной пористой структуры в сплаве NiTi при высоких скоростях охлаждения на основе данных моделирования Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции (15-20 сентября 2019 г., Махачкала). - Махачкала: АЛЕФ, 2019. - 458 с., с. 38-40 (год публикации - 2019).

13. Мокшин А.В., Галимзянов Б.Н. Crystalline nucleation in amorphous materials under shear deformation Book of abstract: International conference mechanisms and non-linear problems of nucleation and growth of crystals and thin films (Saint-Petersburg, Russia), с. 188 (год публикации - 2019).

14. Мокшин А.В., Галимзянов Б.Н. Универсальные скейлинговые соотношения в описании температурных зависимостей кинетических характеристик кристаллизации Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции (15-20 сентября 2019 г., Махачкала). - Махачкала: АЛЕФ, 2019. - 458 с., с. 155-158 (год публикации - 2019).

15. Мокшин А.В., Галимзянов Б.Н., Яруллин Д.Т. Scaling Relations for Temperature Dependences of the Surface Self-Diffusion Coefficient in Crystallized Molecular Glasses JETP Letters, No. 7, vol. 110, pages 511-516 (год публикации - 2019).

16. Мокшин А.В., Галимзянов Б.Н., Яруллин Д.Т. Unified scaling law for rate factor of crystallization kinetics European Physical Journal-Special Topics, - (год публикации - 2019).

17. Файрушин И.И., Мокшин А.В. Описание динамических свойств равновесной жидкости Юкава на основе самосогласованного подхода Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции (15-20 сентября 2019 г., Махачкала). - Махачкала: АЛЕФ, 2019. - 458 с., с. 440-442 (год публикации - 2019).

18. Хуснутдинов Р.М. Электрокристаллизация воды Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции (15-20 сентября 2019 г., Махачкала). - Махачкала: АЛЕФ, 2019. - 458 с., с. 43-44 (год публикации - 2019).

19. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Структурные особенности и микроскопическая динамика объемного металлического стекла ZrCuAl Наноматериалы и технологии — VIII: труды VIII Международной конференции «Наноматериалы и технологии« (24–28 августа 2019 г.) / науч. ред. В. В. Сызранцев. — Улан-Удэ : Издательство Бурятского госуниверситета, 2019. — 496 с., с. 45-49 (год публикации - 2019).

20. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Процессы электрокристаллизации в аморфном льде Тезисы XVIII Школы-конференции молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений". - 2019., с. 120-121 (год публикации - 2019).

21. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Electrocrystallization of Supercooled Water Confined between Graphene Layers JETP Letters, No.8, vol. 110, pages 557-561 (год публикации - 2019).

22. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Electrocrystallization of supercooled water confined by graphene walls Journal of Crystal Growth, vol. 524, page 125182 (год публикации - 2019).

23. Яруллин Д.Т., Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Unified temperature scale for crystallization kinetics in supercooled liquids and glasses Book of abstract: International conference mechanisms and non-linear problems of nucleation and growth of crystals and thin films (Saint-Petersburg, Russia), с. 214 (год публикации - 2019).

24. Яруллин Д.Т., Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Универсальные особенности в температурных зависимостях кинетических характеристик кристаллизации различных молекулярных стекол Тезисы XVIII Школы-конференции молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений". - 2019., с. 129-130 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе выполнения второго этапа проекта были решены задачи, связанные с экспериментальными и теоретическими исследованиями. Ниже приводятся наиболее важные результаты. Выполнено комплексное исследование микроскопической структуры, коллективной динамики частиц и транспортных свойств высокоплотных чистых поливалентных металлических расплавов (на примере галлия), включающее в себя эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов, вискозиметрические измерения, молекулярно-динамические расчеты и теоретическое описание в рамках структурной модели и оригинальной самосогласованной релаксационной теории. Предложена оригинальная структурная модель - модель плотноупакованных квазисфер, объясняющая структурные особенности в жидких поливалентных металлах, которые детектируются в современных экспериментах по нейтронной дифракции, и физическая природа которых до настоящего времени не имела общепринятого понимания. Выполнен критический анализ известной гипотезы о наличии молекулярных димеров Ga2 в равновесном расплаве галлия. Установлено, что "структурные аномалии" в жидких поливалентных металлах представляют собой проявление так называемого расширенного ближнего порядка. Полученные в рамках настоящего проекта экспериментальные результаты по нейтронной спектроскопии, вискозиметрии и результаты моделирования молекулярной динамики находятся в согласии и полностью воспроизводятся самосогласованной релаксационной теорией. Получено убедительное подтверждение наличия твердотельных свойств на микроскопических пространственных масштабах в жидкостях, которые проявляются в сдвиговой квазижесткости и акустикоподобных волновых процессах поперечного типа. Данные результаты являются справедливыми для произвольной жидкости и могут быть отнесены к классу фундаментальных в физике жидкостей. Развит адаптированный кластерный анализ, позволяющий с высокой точностью детектировать наличие стабильных локальных структурных образований в высокоплотных конденсированных средах. Ключевые особенности кластерного анализа заключаются в следующем: (1) появляется дополнительная возможность расшифровки экспериментальных данных по нейтронной и рентгеновской дифракции, (2) метод позволяет выявлять наличие устойчивых структурных единиц (димеров, триплетов, квазикристаллических структурных комплексов и т.д.), (3) метод позволяет определять характерные времена существования этих структурных единиц, (4) метод применим к конфигурационным данным, получаемым из моделирования молекулярной динамики, и к данным Монте-Карло-моделирования, (5) появляется инструмент для объяснения особенностей ближнего и среднего порядка как в простых жидкостях, так и в молекулярных расплавах. Развит метод прямого расчета характеристик кинетики кристаллизации. В основе метода лежат базовые определения и не используются какие-либо приближения, модели; применимость метода не ограничивается какими-либо специфическими сценариями кристаллизации. Впервые выполнена оценка скорости роста кристаллических зерен как функции размера на примере кристаллизации модельной жидкости. Установлено, что переход к стационарному росту кристаллических зерен происходит в случае, когда растущие зерна достигают размера, сопоставимого с утроенным критическим размером зерна. Полученные результаты указывают на необходимость пересмотра ряда положений классической теории нуклеации. Выполнены высокоточные измерения по вискозиметрии никельсодержащих равновесных расплавов (алюминий-никель, железо-никель) для широкой области значений температур и концентраций. Установлено, что выявленные особенности в сдвиговой вязкости этих расплавов объясняются, во-первых, наличием кластеров, образованных атомами разного сорта и близких по составу к эквиатомной системе, и, во-вторых, наличием слабого эффективного взаимодействия между атомами различного сорта. Найденные экспериментальные значения вязкости никельсодержащих металлических расплавов обнаруживают хорошее согласие с результатами моделирования атомарной динамики на основе потенциалов межчастичного взаимодействия EAM-типа для всей исследуемой области температур и концентраций. Установлено, что изменения в концентрационных зависимостях вязкости сопровождаются изменениями вязкоупругих свойств расплавов, что также проявляются в найденных значениях продольных и поперечных скоростей звука. В рамках обобщенной кинетической модели вязкости выполнен анализ полученных экспериментальных данных для расплавов. Полученные значения индекса хрупкости указывают на тенденцию расплавов к формированию устойчивых аморфных фаз. Развита оригинальная схема классификации аморфообразующих систем, альтернативная известной классификации Энжелла - "сильные/слабые" аморфообразующие системы. В основе лежит идея о корректном представлении изменения вязкоупругих свойств с температурой в рамках простых масштабных соотношений. Ключевыми величинами для осуществления такой классификации являются температуры плавления и стеклования, измеряемые экспериментально или рассчитываемые, а сама схема строится на основе данных для какой-либо из величин, характеризующих кинетику системы: вязкость, самодиффузия, время структурной релаксации. Данная схема реализована на основе собственных полученных экспериментальных результатов для сдвиговой вязкости, а также других экспериментальных сведений, доступных в мировой научной литературе для полимерных расплавов, металлических расплавов, молекулярных жидкостей, германиевых, силикатных, боратных расплавов. Рассчитаны основные механические характеристики такого экзотического материала как пористый аморфный никелид титана, который имеет ряд уникальных физико-механических свойств и относится к классу современных перспективных материалов. На основе данных неравновесной молекулярной динамики рассчитано соотношение "деформация-напряжение" для режимов упругой и пластической деформации, определены модули упругости при растяжении и сжатии, модуль сдвига, пределы текучести, а также построена зависимость этих характеристик от степени пористости системы. Обнаружено, что рассчитанные модули упругости при растяжении и сжатии пористого аморфного никелида титана превышают экспериментальные значения для кристаллических аналогов с такой же пористостью в более чем два раза. Установлено, что аморфная фаза пористого никелида титана превосходит по своим упругим свойствам кристаллический аналог. Обнаружено, что упругие свойства системы уменьшаются с увеличением пористости по степенному закону, что полностью согласуется с известными литературными экспериментальными данными для пористого кристаллического никелида титана и кортикального слоя бедренной кости. Установлена корреляция между степенью пористости системы и геометрией пор: при пористости менее 15% система содержит преимущественно изолированные сферически симметричные поры, в то время как при больших значениях пористости формируется пористая перколирующая сеть. На основе простого аналитического приближения для функции радиального распределения частиц решена задача по корректному описанию ближнего порядка в однокомпонентной Юкава-жидкости. Сопоставление полученных теоретических результатов для таких физических характеристик как внутренняя энергия, внутреннее давление, избыточная энтропия, дисперсия продольных акустикоподобных коллективных возбуждений с результатами молекулярно-динамического моделирования обнаруживает хорошее согласие. По результатам, полученным в 2020 году, издано учебное пособие объемом в 171 страниц, опубликовано 9 статей в ведущих научных изданиях, индексируемых в базах данных “Web of Science Core Collection” и “Scopus”; из них 4 статьи относятся к первому квартилю (Q1). Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Полученные результаты были представлены в 15 докладах на российских и международных конференциях, симпозиумах и научных семинарах. В рамках решения ряда задач проекта налажено международное сотрудничество с ведущими научными группами. Появилось 11 публикаций в российских и зарубежных СМИ о результатах, полученных в рамках настоящего проекта.

 

Публикации

1. - На основе созданных физиками КФУ алгоритмов шведские ученые разработали уникальный программный комплекс Сайт «БЕZ ФОРМАТА», На основе созданных физиками КФУ алгоритмов шведские ученые разработали уникальный программный комплекс (26.02.2020) https://kazan.bezformata.com/listnews/fizikami-kfu-algoritmov-shvedskie/81840380/ (год публикации - ).

2. - Физики КФУ смогли объяснить аномалии структуры поливалентных металлических расплавов Медиапортал КФУ, Физики КФУ смогли объяснить аномалии структуры поливалентных металлических расплавов (27.02.2020) https://media.kpfu.ru/news/fiziki-kfu-smogli-obyasnit-anomalii-struktury-polivalentnykh-metallicheskikh-rasplavov (год публикации - ).

3. - Физики КФУ смогли объяснить аномалии структуры поливалентных металлических расплавов Сайт «БЕZ ФОРМАТА», Физики КФУ смогли объяснить аномалии структуры поливалентных металлических расплавов (27.02.2020) https://kazan.bezformata.com/listnews/polivalentnih-metallicheskih-rasplavov/81879978/ (год публикации - ).

4. - Физики КФУ смогли объяснить аномалии структуры поливалентных металлических расплавов Сайт «РНФ», Физики КФУ смогли объяснить аномалии структуры поливалентных металлических расплавов (28.02.2020) https://www.rscf.ru/news/physics/anomalii-struktury-polivalentnykh-metallicheskikh-rasplavov/#! (год публикации - ).

5. - Сотрудники кафедры вычислительной физики выполнили уникальные исследования по анализу влияния внешнего электрического поля на процессы кристаллизации в тонких пленках воды Сайт кафедры вычислительной физики КФУ, Сотрудники кафедры вычислительной физики выполнили уникальные исследования ... (21.05.2020) https://kpfu.ru/physics/struktura/kafedry/kafedra-vychislitelnoj-fiziki/sotrudniki-kafedry-vychislitelnoj-fiziki-389536.html (год публикации - ).

6. - Сотрудники кафедры вычислительной физики получили аморфный пористый нитинол с нанопористой структурой через сверхбыстрое охлаждение расплава Сайт кафедры вычислительной физики КФУ, Сотрудники кафедры вычислительной физики получили аморфный пористый нитинол с нанопористой структурой (22.05.2020) https://kpfu.ru/physics/struktura/kafedry/kafedra-vychislitelnoj-fiziki/sotrudniki-kafedry-vychislitelnoj-fiziki-389552.html (год публикации - ).

7. - Может ли равновесная жидкость обладать сдвиговой жесткостью? Сайт кафедры вычислительной физики КФУ, Может ли равновесная жидкость обладать сдвиговой жесткостью? (16.06.2020) https://kpfu.ru/physics/struktura/kafedry/kafedra-vychislitelnoj-fiziki/mozhet-li-ravnovesnaya-zhidkost-obladat-sdvigovoj.html (год публикации - ).

8. - Study of supercooled liquids contributes to better understanding of phase change processes Медиапортал КФУ, Study of supercooled liquids contributes to better understanding of phase change processes (09.07.2020) https://kpfu.ru/eng/news-eng/study-of-supercooled-liquids.html (год публикации - ).

9. - Study of supercooled liquids contributes to better understanding of phase change processes Сайт «ЕurekAlert!», Study of supercooled liquids contributes to better understanding of phase change processes (09.07.2020) https://eurekalert.org/pub_releases/2020-07/kfu-sos070920.php (год публикации - ).

10. - Experiment confirms liquids show properties of solid bodies at microscopic scales Сайт «ЕurekAlert!», Experiment confirms liquids show properties of solid bodies at microscopic scales (13.07.2020) https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/kfu-ecl071120.php (год публикации - ).

11. - На основе созданных физиками КФУ алгоритмов шведские ученые разработали уникальный программный комплекс Медиапортал КФУ, На основе созданных физиками КФУ алгоритмов шведские ученые разработали уникальный программный комплекс (26.02.2020) https://media.kpfu.ru/news/na-osnove-sozdannykh-fizikami-kfu-vychislitelnykh-algoritmov-shvedskie-uchenye-razrabotali (год публикации - ).

12. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Влияние морфологии пор на механические свойства аморфного пористого никелида титана Сборник материалов VII Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2020). Москва. – М.: ИМЕТ РАН, 165-166 (2020)., С. 165-166 (год публикации - 2020).

13. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Amorphous Ni50Ti50 Alloy with Nanoporous Structure Generated by Ultrafast Isobaric Cooling Physics of the Solid State, Vol. 62, Issue 5, Pages 744-747 (год публикации - 2020).

14. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Amorphous Porous Phase of Nitinol Generated by Ultrafast Isobaric Cooling Solid State Phenomena, Vol. 310, Pages 150-155 (год публикации - 2020).

15. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Microscopic structure and three-particle correlations in liquid and amorphous aluminum Book of Abstracts XXXV International Conference on Equations od State for Mater (Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia). - 2020., Page 244 (год публикации - 2020).

16. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Трехчастичные корреляции в жидком и аморфном алюминии Тезисы докладов Международной зимней школы физиков-теоретиков «КОУРОВКА-XXXVIII» / Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН. - Екатеринбург, 2020., С. 62 (год публикации - 2020).

17. Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Механический отклик аморфного пористого никелида титана на деформации растяжением и сжатием Сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020). - Под ред. М. Д. Старостенкова. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ. - 2020., C. 18-19 (год публикации - 2020).

18. Галимзянов Б.Н., Никифоров Г.А., Мокшин А.В. Effect of Ultrafast Cooling on Pore Formation in Amorphous Titanium Nickelide Acta Physica Polonica A, Vol. 137, Issue 6, Pages 1149-1152 (год публикации - 2020).

19. Галимзянов Б.Н., Яруллин Д.Т., Мокшин А.В. Прямая оценка кинетических факторов кристаллизации в переохлажденных жидкостях Проблемы физики твердого тела и высоких давлений: Тезисы XIX Всероссийской конференции, г. Сочи, пансионат «Буревестник», 18–27 сентября 2020 г. – Москва–Сочи: Изд-во ФИАН, 2020. – 179 c., С. 87-89 (год публикации - 2020).

20. Галимзянов Б.Н., Яруллин Д.Т., Мокшин А.В. Численная оценка кинетических скоростных факторов при гомогенном кристаллическом зародышеобразовании Труды Международного междисциплинарного научного конгресса "Фазовые переходы и новые материалы" PT&NM-2020, КБКУ. - 2020. - 371 с., С. 85-88 (год публикации - 2020).

21. Мокшин А.В. Статистическая физика неупорядоченных конденсированных сред. Теория и моделирование (Учебное пособие) РИЦ Школа, Казань, Статистическая физика неупорядоченных конденсированных сред. Теория и моделирование: учебное пособие / А. В. Мокшин. - Казань: РИЦ Школа, 2020. - 171 с. (год публикации - 2020).

22. Мокшин А.В., Галимзянов Б.Н., Яруллин Д.Т. Unified scaling law for rate factor of crystallization kinetics European Physical Journal: Special Topics, Vol. 229, Issue 2-3, Pages 427-432 (год публикации - 2020).

23. Мокшин А.В., Хабибуллин Р.А., Мирзиярова Д.А., Мокшин В.В. Методы машинного обучения в решении физических задач и не только ... Проблемы физики твердого тела и высоких давлений: Тезисы XIX Всероссийской конференции, г. Сочи, пансионат «Буревестник», 18–27 сентября 2020 г. – Москва–Сочи: Изд-во ФИАН, 2020. – 179 c., С. 41 (год публикации - 2020).

24. Мокшин А.В., Хуснутдинов Р.М., Галимзянов Б.Н., Бражкин В.В. Extended short-range order determines the overall structure of liquid gallium Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 22, Issue 7, Pages 4122-4129 (год публикации - 2020).

25. Файрушин И.И., Мокшин А.В. Расчет физических характеристик двумерной жидкости Юкавы на основе двух-ступенчатого приближения для радиальной функции распределения Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2020: сборник тезисов; – Казань: Изд-во «Отечество», 2020., С. 97 (год публикации - 2020).

26. Файрушин И.И., Мокшин А.В. Описание физических характеристик жидкости Юкавы на основе аналитического приближения для радиальной функции распределения Проблемы физики твердого тела и высоких давлений: Тезисы XIX Всероссийской конференции, г. Сочи, пансионат «Буревестник», 18–27 сентября 2020 г. – Москва–Сочи: Изд-во ФИАН, 2020. – 179 c., С. 163-164 (год публикации - 2020).

27. Файрушин И.И., Храпак С.А., Мокшин А.В. Direct evaluation of the physical characteristics of Yukawa fluids based on a simple approximation for the radial distribution function Results in Physics, Vol. 19, Pages 103359 (год публикации - 2020).

28. Хабибуллин Р.А., Мокшин А.В. Воссоздание потенциала межчастичного взаимодействия на основе машинного обучения Проблемы физики твердого тела и высоких давлений: Тезисы XIX Всероссийской конференции, г. Сочи, пансионат «Буревестник», 18–27 сентября 2020 г. – Москва–Сочи: Изд-во ФИАН, 2020. – 179 c., С. 169-170 (год публикации - 2020).

29. Хуснутдинов Р.М. Universal structural and dynamic features in metals near their melting points Book of Abstracts XXXV International Conference on Equations od State for Mater (Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia). - 2020., Page 71 (год публикации - 2020).

30. Хуснутдинов Р.М., Кокрел К., Дикс О.А., Дженсен, А.К.С., Ли М.Д., Ванг Л., Дав М.Т., Мокшин А.В., Бражкин В.В., Траченко К. Collective modes and gapped momentum states in liquid Ga: Experiment, theory, and simulation Physical Review B, Vol. 101, Issue 21, Pages 214312 (год публикации - 2020).

31. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Универсальные микроскопические особенности в жидких металлах Тезисы докладов Международной зимней школы физиков-теоретиков «КОУРОВКА-XXXVIII» / Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН. - Екатеринбург, 2020., С. 71 (год публикации - 2020).

32. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Elastic Properties and Glass Forming Ability of the Zr50Cu40Ag10 Metallic Alloy Solid State Phenomena, Vol. 310, Pages 145-149 (год публикации - 2020).

33. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Физико-механические свойства цирконий содержащих аморфных металлических сплавов Тезисы 3-й Всероссийской конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» МИССФМ-2020« / Институт катализа СО РАН. - Новосибирск, 2020., С. 306 (год публикации - 2020).

34. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Упругие свойства и стеклоформирующая способность бинарных металлических расплавов Проблемы физики твердого тела и высоких давлений: Тезисы XIX Всероссийской конференции, г. Сочи, пансионат «Буревестник», 18–27 сентября 2020 г. – Москва–Сочи: Изд-во ФИАН, 2020. – 179 c., С. 170-171 (год публикации - 2020).

35. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Программа экспресс-анализа свойств и характеристик новых перспективных материалов на основе высокоэнтропийных сплавов -, № 2020613670 (год публикации - ).

36. Яруллин Д.Т., Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Программа для точной количественной оценки кинетических факторов структурно-фазовых трансформаций -, № 2020616321 (год публикации - ).

37. Яруллин Д.Т., Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Точная оценка кинетического скоростного фактора кристаллизации переохлажденных жидкостей ФизикА.СПб: Тезисы докладов международной конференции. СПб: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС. - 2020., С. 503 (год публикации - 2020).

38. Яруллин Д.Т., Галимзянов Б.Н., Мокшин А.В. Direct evaluation of attachment and detachment rate factors of atoms in crystallizing supercooled liquids Journal of Chemical Physics, Vol. 152, Issue 22, Pages 224501 (год публикации - 2020).