Нелинейная динамика кристаллической решетки: локализованные и делокализованные колебательные моды, краудионы и ударные волны

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 21-12-00229

НазваниеНелинейная динамика кристаллической решетки: локализованные и делокализованные колебательные моды, краудионы и ударные волны

Руководитель Дмитриев Сергей Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук , Республика Башкортостан

Конкурс №55 - Конкурс 2021 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 слова кристаллическая решетка, нелинейные колебания, делокализованные колебания, дискретные бризеры, краудионы, ударные волны, транспорт энергии, массоперенос, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, константы упругости

Код ГРНТИ29.19.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Металлические материалы в ходе эксплуатации могут подвергаться таким воздействиям, как нагрев, механические нагрузки, радиация, бомбардировка частицами или ионами. Нередко эти воздействия применяются осознанно с целью повышения механических, функциональных, коррозионных и иных свойств металлов, например, при термической и термо-механической обработке, ионной имплантации, плазменной обработке и др. Во всех таких процессах происходит желательная или нежелательная трансформация структуры материалов, вызванная переносом энергии и массы либо в объеме материала, либо с поверхности, подверженной внешнему воздействию. С физической точки зрения, несмотря на имеющиеся отличия, связанные с конкретным типом внешнего воздействия, существуют универсальные механизмы диссипации подведенной энергии кристаллической решеткой. К ним относятся нагрев, то есть возбуждение фононных колебаний, генерация и рекомбинация дефектов кристаллического строения, возбуждение делокализованных и пространственно локализованных колебаний с относительно большим временем жизни, генерация ударных волн. Изменение структуры кристалла всегда сопровождается преодолением определенных энергетических барьеров, осуществление которого невозможно без пространственной локализации энергии. Известно, что в кристаллических материалах важную роль в локализации энергии, помимо тепловых флуктуаций, играют локализованные наноразмерные нелинейные моды солитонного типа: ударные волны, краудионы, дискретные бризеры, колебания, локализованные на дефектах. Солитоны и краудионы, распространяющиеся со сверхзвуковой скоростью, переносят большое количество энергии, но и быстро рассеивают ее в кристалле, в связи с чем, время их жизни относительно невелико. Дозвуковые краудионы, напротив, обладают относительно низкой энергией, однако времена их жизни могут быть очень большими. Дискретные бризеры могут рождаться как термофлуктуационно, так и, например, потоком частиц. Все эти нелинейные локализованные возбуждения могут рассматриваться как элементарные явления/события, происходящие в кристаллической решетке при нагревании и иных внешних воздействиях. Существует немало работ, посвященных анализу свойств локализованных возбуждений в металлах, однако, анализ сосуществования нелинейных мод различных типов никогда, насколько нам известно, не проводился, хотя их взаимодействие может играть существенную роль в процессах локализации и транспорта энергии в кристаллических решетках. Ранее было показано, что такие моды существуют как в модельных решетках, так и в реальных веществах, таких как металлы с различными типами кристаллических решеток (ГЦК, ОЦК, ГПУ), упорядоченные сплавы (Pt3Al и др.), ионные (NaI) и ковалентные (кремний, алмаз, графен и др.) кристаллы. Отметим, что экспериментальное изучение локализованных возбуждений в кристаллах наталкивается на значительные технические трудности, учитывая их нанометровые размеры и времена жизни порядка пикосекунд. Перспективным подходом в изучении динамических локализованных мод в металлах является основанное на компьютерном моделировании теоретическое предсказание их влияния на макроскопические свойства (тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность и др.) с возможной последующей их экспериментальной проверкой. Такой подход опирается на тот факт, что вклад нелинейных возбуждений в динамику решетки растет с повышением температуры, что и должно приводить к определенным аномалиям (с точки зрения линейной физики) в их свойствах. Отметим, что температурная аномалия теплопроводности урана уже была экспериментально установлена и увязана с возбуждением дискретных бризеров при повышенных температурах, что говорит о перспективности данного подхода. Большой интерес представляет также анализ взаимодействия нелинейных локализованных возбуждений решетки с дефектами кристаллической структуры, который позволит установить новые микроскопические механизмы трансформации дефектов. В качестве основных направлений исследования в данном проекте предполагается изучение динамики совместного возбуждения разных типов локализованных нелинейных мод (солитонов, краудионов, дискретных бризеров, мод, локализованных на дефектах, и т.п.), их влияния на макроскопические характеристики материалов, на эволюцию дефектной структуры, протекающих на фоне изменения температуры, внешних периодических и иных воздействиях, как в чистых металлах и сплавах, так и в различных модельных материалах. В результате проведенных расчетов будут надежно установлены статистические характеристики различных наноразмерных нелинейных возбуждений (концентрация, время жизни, энергия) в зависимости от температуры и/или параметров внешних воздействий. Отталкиваясь от этих данных, будут оценены вклады данных мод в упомянутые выше макроскопические свойства кристаллов и даны рекомендации для выбора металлов с необходимыми свойствами для конкретных применений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Щербинин С.А., Крылова К.А., Чечин Г.М., Соболева Э.Г., Дмитриев С.В. Delocalized nonlinear vibrational modes in fcc metals Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, V. 104, P. 106039 (год публикации - 2022)
10.1016/j.cnsns.2021.106039

2. Савин А.В., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Plane vibrational modes and localized nonlinear excitations in carbon nanotube bundle Journal of Sound and Vibration, V. 520, P. 116627 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jsv.2021.116627

3. Галиахметова Л.Х., Корзникова Е.А., Кудрейко А.А., Дмитриев С.В. Negative Thermal Expansion of Carbon Nanotube Bundles Physica Status Solidi - Rapid Research Letters (год публикации - 2021)
10.1002/pssr.202100415

4. Бачурина О.В., Кудрейко А.А. Two-component localized vibrational modes in fcc metals European Physical Journal B, V. 94, P. 218 (год публикации - 2021)
10.1140/epjb/s10051-021-00227-3

5. Савин А.А,, Сунагатова И.Р., Дмитриев С.В. Rotobreathers in a chain of coupled elastic rotators PHYSICAL REVIEW E, V. 104, P. 034207 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevE.104.034207

6. Галиахметова Л., Семенов А. Delocalized nonlinear vibrational modes in Fermi-Pasta-Ulam triangular lattice with an on-site potential. AIP Conference Proceedings. (год публикации - 2022)

Публикации

1. Бабичева Р.И., Семенов А.С., Щербинин С.А., Корзникова Е.А., Кудрейко А.А., Вивеганантхан П., Чжоу К., Дмитриев С.В. Effect of the stiffness of interparticle bonds on properties of delocalized nonlinear vibrational modes in an fcc lattice Physical Review E, V. 105, issue 5, (2022) 064204 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevE.105.064204

2. Савин А.В., Дмитриев С.В. The frequency spectrum of rotobreathers with many degrees of freedom Europhysics Letters, V. 137, issue 3, 36005 (2022) (год публикации - 2022)
10.1209/0295-5075/ac514a

3. Упадхая А., Семенова М.Н., Кудрейко А.А., Дмитриев С.В. Chaotic discrete breathers and their effect on macroscopic properties of triangular lattice Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, V. 112, 106541 (2022) (год публикации - 2022)
10.1016/j.cnsns.2022.106541

4. Бачурина О.В., Мурзаев Р.Т., Кудрейко А.А., Дмитриев С.В., Бачурин Д.В. Atomistic study of two-dimensional discrete breathers in hcp titanium European Physical Journal B, V. 95, issue 7, 104 (2022) (год публикации - 2022)
10.1140/epjb/s10051-022-00367-0

5. Савин А.В. Friction, mobility, and thermophoresis of carbon nanoparticles on a graphene sheet Physical Review B, V. 106, issue 20, 205410 (2022) (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.106.205410

6. Халиков А.Р., Бебихов Ю.В., Дмитриев С.В. Structure and energy of ternary alloys of stoichiometric composition A2BC having L10superstructure AIP Conference Proceedings, V. 2533, 020018 (2022) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0103639

7. Баязитов А.М., Мурзаев Р.Т., Бебихов Ю.В. Effect of interatomic potentials on dynamics of supersonic 2-crowdions in tungsten AIP Conference Proceedings, V. 2533, 020032, (2022) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0110142

8. Галиахметова Л., Андрухова О., Овчаров А., Дмитриев С. Thermomechanical properties of carbon nanotube forest AIP Conference Proceedings, V. 2533, 020052, (2022) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0098855

9. Халиков А.Р., Валитов В.А., Дмитриев С.В. Monte Carlo simulation of diffusion in ternary alloys based on fcc lattice AIP Conference Proceedings, V. 2533, 020024, (2022) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0103640

10. Брызгалов В.А., Дмитриев С.В., Корзникова Е.А., Бебихов Ю.В. Моделирование дислокационного электропластического эффекта в монокристалле методом молекулярной динамики Frontier Materials and Technologies, № (3-1), pp. 61-68 (2022) (год публикации - 2022)
10.18323/2782-4039-2022-3-1-61-68

11. Халиков А.Р., Бебихов Ю.В., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Планарные сверхструктурные дефекты в сплавах сверхструктуры L10 Frontier Materials & Technologies, № 3. С. 90–98 (2022) (год публикации - 2022)
10.18323/2782-4039-2022-3-2-90-98

12. Шепелев И.А., Колесников И.Д., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Compressive soliton in phosphorene at finite temperature Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE, V. 12194, 121940G (2022) (год публикации - 2022)
10.1117/12.2626336

13. Шепелев И.А., Колесников И.Д., Корзникова Е.А., Дмитриев С.В. Compressive solitary waves in black phosphorene Physica E, V. 146, 115519 (2023) (год публикации - 2023)
10.1016/j.physe.2022.115519

14. Д. Кэ, В. Чжун, С.В. Дмитриев, Д. Сюн Unconventional relaxation of hydrodynamic modes in anharmonic chains under strong pressure fluctuations Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, V. 55, pp. 055001, (2022) (год публикации - 2022)
10.1088/1751-8121/ac463d

Публикации

1. M. И. Фахретдинов, К.Ю. Самсонов, С.В. Дмитриев, Е.Г. Екомасов Attractive impurity as a generator of wobbling kinks and breathers in the phi4 model Russian Journal of Nonlinear Dynamics (год публикации - 2024)
10.20537/nd180000

2. А.В. Савин, С.В. Дмитриев Influence of the internal degrees of freedom of coronene molecules on the nonlinear dynamics of a columnar chain Physical Review E, Physical Review E. – 2023. – Т. 107. – №. 5. – С. 054216. (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevE.107.054216

3. И.В. Косарев, А.А.Кистанов, Р.И. Бабичева, Е.А. Корзникова, Ю.А. Баимова, С.В. Дмитриев Topological defects in silicene Europhysics Letters., Europhysics Letters. – 2023. – Т. 141. – №. 6. – С. 66001. (год публикации - 2023)
10.1209/0295-5075/acbfda

4. Е. К. Наумов, Ю. В. Бебихов, С. В. Дмитриев ДИСКРЕТНЫЕ БРИЗЕРЫ В КВАДРАТНОЙ РЕШЕТКЕ ОСНОВАННЫЕ НА ДЕЛОКАЛИЗОВАННЫХ МОДАХ Фундаментальные проблемы современного материаловедения, Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2023. Т. 20. № 3. С. 299–307 (год публикации - 2023)
10.25712/ASTU.1811-1416.2023.03.002

5. Е.К. Наумов, Ю.В. Бебихов, Е.Г. Екомасов, Е.Г. Соболева, С.В. Дмитриев Discrete breathers in square lattices from delocalized nonlinear vibrational modes Physical Review E., Physical Review E. – 2023. – Т. 107. – №. 3. – С. 034214. (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevE.107.034214

6. М. И. Фахретдинов, К. Ю. Самсонов, С. В. Дмитриев, Е.Г. Екомасов Kink Dynamics in the φ4 Model with Extended Impurity Russian Journal of Nonlinear Dynamics, Russian Journal of Nonlinear Dynamics. – 2023. – Т. 19. – №. 3. – С. 303-320. (год публикации - 2023)
10.20537/nd230603

7. И.А. Шепелев, И.Д. Колесников, Е.А. Корзникова, С.В. Дмитриев Compressive solitary waves in black phosphorene Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 146 (2023) 115519 (год публикации - 2023)
10.1016/j.physe.2022.115519

8. А.В. Савин, С.В. Дмитриев Cavities in multilayer homo- and heterostructures Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures., Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. – 2023. – Т. 151. – С. 115735. (год публикации - 2023)
10.1016/j.physe.2023.115735

9. Д.С. Рябов, Г.М. Чечин, Е.К. Наумов, Ю.В. Бебихов, Е.А. Корзникова, С.В. Дмитриев One-component delocalized nonlinear vibrational modes of square lattices Nonlinear Dynamics., Nonlinear Dynamics. – 2023. – Т. 111. – №. 9. – С. 8135-8153. (год публикации - 2023)
10.1007/s11071-023-08264-6

10. И.В. Косарев, С.А. Щербинин, А.А. Кистанов, Р.И. Бабичева, Е.А. Корзникова, С.В. Дмитриев An approach to evaluate the accuracy of interatomic potentials as applied to tungsten Computational Materials Science., Computational Materials Science. – 2024. – Т. 231. – С. 112597. (год публикации - 2024)
10.1016/j.commatsci.2023.112597