Сложность описания фазовых переходов в плотных системах (жидкость-кристалл, жидкость– стекло, стекло- кристалл) связана с тем, что здесь недостаточно ограничиваться рассмотрением только межатомных взаимодействий, нужно еще учитывать геометрические факторы, т.е. ограничения на взаимное расположение атомов в пространстве. К таким ограничениям приводит, в частности, несоответствие между принципами локальной и глобальной укладки, имеющее место в трехмерном пространстве. А именно, плотнейшей локальной укладкой является тетраэдрическая конфигурация шаров, однако тетраэдрами невозможно заполнить пространство. Это несоответствие лежит в основе многих физических явлений, известный пример из них - переохлаждение простых жидкостей.
В данном цикле работ изучаются особенности плотных систем при кристаллизации, сущность которых кроется в указанном несоответствии. Мы исследуем (i) структуры с пятикратной симметрией, возникающие в объеме образца, (ii) «критические» плотности, при которых структура испытывает качественные изменения, а также (iii) поведение конфигурационной энтропии в зависимости от плотности.
Для анализа использованы надежные компьютерные модели упаковок сферических атомов в широком интервале состояний, созданные авторским коллективом, также уникальные модели упаковок полученные от соавторов. Тонкий количественный анализ структуры проведен с помощью оригинальных подходов разработанных в ИХКГ. Представленные результаты, помогают пояснить многие вопросы перехода из неупорядоченного состояния в кристаллическое.
Пятикратная симметрия запрещена для кристаллов, однако такие структуры наблюдаются в тонких пленках и в наночастицах. В работе [1] мы впервые обнаружили их в объемном образце, в упаковке твердых сфер. Они представляют собой пентагональные призмы расположенные между кристаллическими ядрами. В работе [2] методом молекулярной динамики проведено моделирование процесса плавления и кристаллизации системы леннард-джонсовских атомов. Показано, что возникновение кристаллической фазы может идти разными путями. При этом, на промежуточном этапе, возникают структуры имеющие оси симметрии пятого порядка. Все это показывает, что такие структуры являются общей чертой процесса перехода от неупорядоченной к кристаллической фазе. В работе [3] проведено детальное изучение таких структур в упаковках твердых сфер.
В работе [4] обсуждаются критические плотности для упаковки сферических атомов. Кроме известной предельной плотности Бернала (0.64), выше которой не могут существовать неупорядоченные упаковки, отмечена плотность 0.66, после которой невозможно существование отдельных кристаллических ядер внутри неупорядоченной структуры, возникает единый, хотя и дефектный, кристалл. Отмечена плотность 0.60, после которой в упаковке начинают нарастать корреляции связанные с формированием политетраэдрических кластеров.
В работе [5] проведено подробное сравнение различных способов выделения структур на основе тетраэдров. Показано, что полученные физические результаты не зависят от деталей метода. Проведен расчет конфигурационной энтропии неупорядоченных упаковок твердых сфер. Изучено поведение энтропии от плотности, демонстрирующее резкие изменения при критических плотностях.
По результатам работ данного цикла сделано 8 докладов на международных и всероссийских конференциях. Исследования поддержаны грантами РФФИ, под исследование структур с пятикратной симметрией был выигран молодежный грант ИНТАС.
Список прилагаемых статей.
Вклад авторского коллектива. 1 – существенный, 2 - 100%, 3 - определяющий, 4 - 100%, 5 - определяющий.
- Н.Н. Медведев, А. Безруков, Д. Штоян. От аморфной фазы к дефектному кристаллу. Исследование структурных особенностей плотных упаковок твердых сфер. Журн. Структур. Химии , 45, S24-31, (2004).
- А.В. Ким, Н.Н. Медведев. Плавление и гомогенная кристаллизация леннард-джонсовской системы. Журн. Структур. Химии 47. S144 - S154. (2006).
- A.V. Anikeenko, N.N. Medvedev, A. Bezrukov, D. Stoyan. Observation of fivefold symmetry structures in computer models of dense packing of hard spheres. Journal of Non-Crystalline Solids» 353 3545–3549, (2007).
- Аникеенко А.В., Медведев Н.Н. Структурные особенности плотных упаковок твердых сфер. Критические плотности. Журн. Структур. Химии , 48 (4), с.823-830, (2007).
- A. V. Anikeenko and N. N. Medvedev, T. Aste Structural and entropic insights into the nature of the random-close-packing limit. Physical Review E 77, 031101 (2008).