Nazwa Projektu: Wpływ składu i szybkości chłodzenia na właściwości mechaniczne szkieł metalicznych o wysokiej entropii

Akronim Projektu: HIGHENTROPYGLASS (SONATA BIS 13)

Budżet Projektu: 1 973 187 PLN

Czas trwania projektu: 21.03.2024 - 20.03.2028

Kierownik Projektu: dr Silvia Bonfanti

Opis Projektu:

Szkła metaliczne (MG), składające się z pierwiastków metalicznych, stanowią nową klasę zaawansowanych materiałów o niezwykłych właściwościach mechanicznych, które przewyższają właściwości tradycyjnych metali lub stopów. Przykładowo, mogą być one dwukrotnie bardziej wytrzymałe niż tytan. Dzięki temu znajdują one zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak inżynieria biomedyczna, nanotechnologia czy lotnictwo. Unikalne właściwości MG wynikają z ich wyjątkowej amorficznej (nieuporządkowanej) struktury atomowej, w przeciwieństwie do krystalicznej (uporządkowanej) struktury tradycyjnych metali i stopów. Stan taki uzyskuje się poprzez szybkie schłodzenie cieczy metalicznej, co zapobiega organizowaniu się atomów w strukturę krystaliczną. Jednak tendencja większości stopów metali do krystalizacji po schłodzeniu wciąż stanowi wyzwanie w procesie produkcji. Niedawnym innowacyjnym rozwiązaniem było opracowanie szkieł metalicznych o wysokiej entropii (HEMG). Mieszając kilka (>4) pierwiastków atomowych w równych proporcjach - w przeciwieństwie do tradycyjnych MG, które zwykle mają jeden lub dwa dominujące pierwiastki - HEMG ułatwiają uzyskanie stanu amorficznego, co skutkuje jeszcze mocniejszymi i bardziej wydajnymi szkłami o niespotykanych właściwościach mechanicznych. Pomimo tych postępów, badania nad HEMG wciąż znajdują się w początkowej fazie, a mikroskopowe mechanizmy rządzące własnościami mechanicznymi HEMG nie są jeszcze w pełni rozumiane przez społeczność naukową. Wciąż aktualne są pytania dotyczące wpływu szybkości chłodzenia i składu chemicznego na te właściwości. Przykładowo, nie jest jeszcze jasne, dlaczego niektóre kompozycje atomowe krystalizują łatwiej niż inne przy podobnych szybkościach chłodzenia lub dlaczego wykazują lepsze właściwości mechaniczne. Aby odpowiedzieć na te pytania, niniejszy projekt ma na celu systematyczne badanie wpływu szybkości chłodzenia i składu chemicznego na zachowanie mechaniczne HEMG. Proponowane przez nas podejście łączy symulacje molekularne, uczenie maszynowe i eksperymenty nanoindentacji, aby umożliwić kompleksowe zrozumienie tej obiecującej klasy materiałów. Symulacje komputerowe stanowią nieocenione narzędzie pozwalające badać skład i właściwości mechaniczne szkieł metalicznych z atomistycznego punktu widzenia. Istnieją jednak znaczące wyzwania teoretyczne utrudniające ich pełne zrozumienie i zastosowanie. Należą do nich rozbieżności w szybkościach chłodzenia uzyskiwanych w symulacjach i eksperymentach, przez co symulowane próbki nie są porównywalne z próbkami eksperymentalnymi, co uniemożliwia zrozumienie ich reakcji mechanicznej na odkształcenie. Ponadto ograniczona znajomość potencjałów oddziaływania charakterystycznych dla danego pierwiastka ogranicza możliwości dokładnego modelowania HEMG. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, w projekcie tym najpierw zajmiemy się problemem rozbieżności w szybkości chłodzenia między symulacjami a eksperymentami przy użyciu nowego algorytmu przyspieszającego symulacje. Pozwoli to uzyskać próbki HEMG ściśle odpowiadające warunkom eksperymentalnym. Próbki te zostaną poddane symulacjom deformacji w celu oceny odpowiedzi mechanicznej. Wykorzystamy również algorytmy optymalizacyjne w celu znalezienia składu pierwiastkowego w celu uzyskania lepszych właściwości mechanicznych. Wreszcie, jako pierwsi opracujemy potencjały uczenia maszynowego dla kluczowych składów pierwiastkowych, przyczyniając się do wypełnienia luki w modelowaniu złożonych materiałów takich jak HEMGs. Badania teoretyczne będą uzupełnione badaniami eksperymentalnymi - testami nanoindentacji na próbkach HEMG napylanych magnetronowo w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). Przedstawiona przez nas strategia stanowi pierwszą próbę uzyskania zgodności między symulacjami komputerowymi i eksperymentami. Ponadto, zrozumienie odpowiedzi mechanicznej pomoże w projektowaniu szkieł HEMGs o określonych, zoptymalizowanych właściwościach. Wspólny wysiłek i współpraca między głównym badaczem a zespołem eksperymentalnym w NCBJ doprowadzą do synergii, która będzie kluczowym elementem, umożliwiającym wieloaspektowe zbadanie złożoności HEMG. Wyniki tych prac przyczynią się do rozwoju badań i technologii w dziedzinie materiałoznawstwa, co pozwoli na osiągnięcie wielu praktycznych celów oraz korzyści społecznych.