Rozchodzenie się dźwięku w kryształach. Badania ujawniły nieznane wcześniej efekty
Symulacje komputerowe w skali atomowej pozwalają dziś badać właściwości materiałów w sposób niedostępny dla tradycyjnych eksperymentów. Dzięki nim można obserwować zachowanie pojedynczych atomów i zjawiska zachodzące w niezwykle krótkich skalach czasu.
Właśnie takie podejście wykorzystał dr Zbigniew Kozioł z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, opracowując nowy model opisujący rozchodzenie się dźwięku w kryształach. Badania ujawniły nieznane wcześniej efekty dynamiczne i siły pojawiające się wewnątrz materiału pod wpływem fali akustycznej.
Podstawą pracy była dynamika molekularna, czyli metoda symulowania ruchu atomów poprzez obliczeniowe rozwiązywanie równań opisujących ich wzajemne oddziaływania. Pozwala ona śledzić procesy zachodzące w materiałach z ogromną dokładnością i analizować zjawiska trudne do uchwycenia w laboratorium. Jednocześnie skuteczne wykorzystanie tej metody wymaga nie tylko dużej mocy obliczeniowej, ale także precyzyjnych modeli fizycznych, które pozwalają właściwie interpretować wyniki symulacji.
Jednym z problemów, który mimo długiej historii badań wciąż nie jest w pełni opisany, jest sposób propagacji dźwięku w strukturach krystalicznych. Nowy model zaproponowany w NCBJ, oparty na koncepcji układu sprężyn i mas, umożliwił dokładniejsze opisanie tego procesu i przeanalizowanie, jak naprężenia przenikają przez kolejne warstwy kryształu. Analiza przeprowadzona dla popularnych struktur krystalicznych typu FCC wykazała, że wraz z przechodzeniem fali dźwiękowej pojawiają się dodatkowe oscylacje atomów oraz siły działające prostopadle do kierunku nacisku. Zjawiska te nie są uwzględniane w klasycznych, statycznych teoriach naprężeń.
Odkrycie ma znaczenie praktyczne, ponieważ dokładniejsze zrozumienie dynamicznych zachowań materiałów może pomóc w projektowaniu bardziej wytrzymałych stopów, elementów pracujących pod dużym ciśnieniem czy materiałów wykorzystywanych w nowoczesnych technologiach energetycznych i przemysłowych. Wyniki wskazują także kierunek przyszłych badań eksperymentalnych, które mogą potwierdzić istnienie nowych efektów w rzeczywistych materiałach.
Badania przyniosły również interesujące wnioski teoretyczne. Analiza energii oddziaływań między warstwami kryształu doprowadziła do modelu matematycznego powiązanego z układami znanymi z badań nad chaosem dynamicznym. Pokazuje to, że zjawiska zachodzące w materiałach mogą być powiązane z teoriami rozwijanymi w zupełnie innych dziedzinach fizyki. Nowy model nie tylko rozszerza wiedzę o podstawowych właściwościach kryształów, ale także dostarcza narzędzi, które mogą znaleźć zastosowanie w inżynierii materiałowej i dalszym rozwoju symulacji komputerowych wykorzystywanych w projektowaniu nowych materiałów.
Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Czytaj też: Potwierdzona została data startu demonstracyjnej misji Celeste
Grafika tytułowa: Jason D / Unsplash
