Цифровое материаловедение

Описание направления

Цифровое материаловедение объединяет квантово-химические расчёты, молекулярную динамику, метод Монте-Карло и машинно-обученные межатомные потенциалы. Эти подходы используются для моделирования структуры и свойств объёмных материалов, наночастиц, тонких плёнок, гибридных и пористых материалов.

Цифровое материаловедение является одним из ключевых направлений работы отдела. Оно объединяет квантово-химические расчёты, молекулярную динамику, метод Монте-Карло, феноменологическое моделирование и разработку межатомных потенциалов для исследования структуры, фазовых переходов и физических свойств функциональных материалов.

Главная задача этого направления – связать атомное строение материала с его макроскопическими свойствами. Такой подход позволяет изучать процессы, которые трудно или невозможно напрямую наблюдать экспериментально: атомное упорядочение, локальные искажения, движение доменных состояний, фазовые превращения, магнитные переходы, поведение наночастиц, интерфейсов и тонких плёнок.

Одно из направлений связано с теорией и моделированием катионного упорядочения в сложных перовскитах. В работах по фазовым переходам порядок–беспорядок B-катионов в AB_1/2‘B_1/2»O₃ перовскитах была построена теоретическая основа для описания конкуренции упорядоченных и разупорядоченных состояний: Acta Crystallographica B, 2018. В дальнейшем была проанализирована роль давления в таких переходах: Acta Crystallographica B, 2019. Эти подходы были развиты для средне- и высокоэнтропийных перовскитов, где метод Монте-Карло позволяет оценивать возможность локального порядка даже в многокомпонентных B-подрешётках: Journal of Alloys and Compounds, 2024.

Квантово-химические расчёты используются для анализа устойчивости фаз, электронной структуры, полярных и магнитных состояний, а также свойств интерфейсов. С помощью расчётов из первых принципов были исследованы структурные, электронные и магнитные свойства нескольких атомных слоёв полярного перовскита: Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, а также особенности интерфейса сверхрешётки CdTiO₃/BaTiO₃: Nanoscale, 2021. Такие расчёты позволяют понять, как эпитаксиальные ограничения, размерность и химический состав влияют на устойчивость функциональных состояний.

Отдельное место занимает молекулярная динамика – метод, позволяющий проследить эволюцию атомной структуры во времени и исследовать фазовые превращения при изменении температуры, давления или внешних полей. В работе по PbZrO₃ молекулярно-динамические расчёты были использованы для анализа фазовых переходов и электрокалорического эффекта: Physical Review B, 2025. Такие исследования особенно важны для проверки применимости межатомных потенциалов и для выявления различий между расчётными моделями и экспериментальной картиной фазовых переходов.

Метод Монте-Карло применяется не только для задач катионного упорядочения, но и для моделирования магнитных фазовых переходов. В твёрдых растворах на основе BiFeO₃ он позволяет исследовать как химическое замещение и конкурирующие обменные взаимодействия изменяют температуры и характер магнитных переходов: Computational Materials Science, 2025, Ferroelectrics, 2025.

Ещё одно направление связано с разработкой и использованием межатомных потенциалов для сложных систем. В сотрудничестве с МИИИМ ЮФУ для Au-Pd был разработан ReaxFF потенциал: Journal of Physics: Condensed Matter, 2022. На его основе в сочетании с методом Монте-Карло и молекулярной динамикой были исследованы стабильность и фазовые превращения в Au-Pd наночастицах: Journal of Physical Chemistry C, 2024.

В целом цифровое материаловедение в отделе рассматривается не как вспомогательный инструмент, а как самостоятельный способ исследования материалов. Сочетание DFT, молекулярной динамики, метода Монте-Карло и машинно-обученных потенциалов позволяет переходить от атомистической модели к физическому механизму и далее – к прогнозированию свойств новых функциональных материалов.

Связанные публикации