Лаборатория моделирования и разработки новых материалов

Научные результаты:

• Открыт эффект перекрытия электронных уровней остовных состояний Os при его сжатии до рекордных статических давлений.
• Экспериментально подтверждены результаты моделирования эффектов сверхвысоких давлений на электронную структуру и свойства оксида Ni.
• Развиты новые методы моделирования материалов, в т.ч. с учетом эффектов ангармонизма при конечных температурах; методы, описывающие рост и фазовые переходы в наноматериалах, а также методы моделирования материалов с неупорядоченными локальными моментами.
• Проведено теоретическое изучение с использованием моделирования эффектов конечных температур сплавов на основе Zr и Ti для применения в атомной энергетике, аэрокосмических и медицинских приложениях.
• Осуществлено моделирование свойств железа с примесями C и N и изучены особенности стабильности фаз по отношению к бинодальному и спинодальному распаду для ряда перспективных сталей.
• Проведено теоретическое изучение структурных фазовых переходов в квазикристаллических и нано-материалах, открыт новый класс двухмерных материалов на основе Максена с точкой Дирака в электронном спектре.
• Разработана и экспериментально верифицирована концепция влияния эффектов легирования на упругие свойства новых жаропрочных сплавов на основе NiAl.
• Разработаны новые МАХ-фазы для стабильного высокотемпературного омического контакта к SiC.
• Продемонстрировано сильное влияние эффектов ангармонизма колебаний кристаллической решетки на стабильность твердого раствора в системе (Ti-Al)N.
• Открыт целый ряд полинитридов переходных металлов в условиях сверхвысоких давлений.
• Открыты новые метастабильные полиморфы кремнезема в условиях сверхвысоких давлений.
• Открыты новые фазы с пяти и шести-координированными атомами Be в соединении CaBe2P2O8.
• Открыт селективный переход Мотта изолятор-металл под давлением в Fe2O3.
• Разработана база данных ферритных сплавов системы Fe-Cr для материалов ядерной энергетики.
• Изучены свойства новых фаз высокого давления оксида кремния, обнаруженных экспериментально. Показано, что эти структуры динамически устойчивы и рассчитаны энтальпии образования новых фаз. Показано, что модуль объемного сжатия новых фаз значительно ниже, чем у известных фаз оксида кремния, что может иметь большое значение для изучения и прогноза сейсмической активности Земли.
• Исследованы электронные свойства парамагнитного NiO и влияние на них динамики решетки. Впервые рассчитаны фононные спектры парамагнитного NiO при различных температурах.
• На примерах металлов с различной динамикой решетки и температурным поведением проведено детальное сравнение различных методов расчета свободной энергии кристаллов.
• Рассчитаны термодинамические свойства альфа- и бета-фаз чистого олова, что позволило восполнить пробел в имеющихся экспериментальных данных.
• Исследована нелинейная упругость эпсилон-Fe и динамика решетки при высоких давлениях.
• Исследована динамика решетки антиферромагнитной и ферромагнитной фаз кубического (B2) FeRh при различных температурах с учетом ангармонизма. Впервые показано, что динамика решетки играет ключевую роль в метамагнитном фазовом переходе в FeRh и формирует его магнитокалорические свойства.
• Изучена идеальная каирская мозаика в диазениде никеля NiN2.
• Исследованы дираковские материалы, синтезированные при высоком давлении: слоистый ван-дер-ваальсовский полиморф BeN4.
• Исследована стабилизация анионов полинитрогена в тантал-азотных соединениях, синтезированных при высоком давлении.
• Выявлена и описана сложная природа связи в бинарном соединении высокого давления FeO2.
• Дано теоретическое описание термодинамических и механических свойств многокомпонентных ОЦК сплавов на основе Fe-Cr.
• Изучены свойства новых металл-неорганических каркасов Hf4N20·N2, WN8·N2 и Os5N28·3N2 с полимерными азотными линкерами, синтезированных при высоком давлении.
• Теоретическое моделирование растворения примесей внедрения в парамагнитных сплавах Fe-Mn.
• Исследованы свойства несжимаемого твердого пернитрида нитрида рения Re2(N2)(N)(2), стабильного в условиях окружающей среды.
• Изучены структурные, электронные и термодинамические параметры нитридов FeN2 и FeN4.
• Исследована обогащенная азотом фаза высокого давления ReN8·xN2 с сопряженными полимерными цепями азота.
• Исследовано влияние многокомпонентного легирования Ni, Mn и Mo на фазовую стабильность ОЦК-сплавов Fe-Cr.
• Предсказаны упругие свойства ОЦК сплавов системы Ti-V.
• Исследованы магнитные и структурные свойства сидерита FeCO3 при высоком давлении.
• ab initio расчет энтальпии растворения примесей замещения и внедрения в парамагнитном ГЦК Fe.
• Исследование Fe спинового перехода в (Fe,Mg)O.

Внедрение результатов исследования:

• Программа «ABC-DFT» для расчёта электронных, динамических и термодинамических свойств металлов из первых принципов. Программа может применяться при исследованиях в области материаловедения, химии и физики твердого тела.
• Программа «LINTEX-FORCON», обеспечивающая выполнение следующих функций: проверка входных параметров на правильность (наличие исходных файлов и числовых значений температуры); осуществление линейной интерполяции/экстраполяции числовых данных силовых постоянных из двух файлов построчно с последующей записью нового файла с тем же строением содержания, как и для входящих файлов, но с интерполированными/экстраполированными данными. Программа может применяться при исследованиях в области материаловедения, химии и физики твердого тела.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

На базе лаборатории создан вычислительный кластер производительностью 76 терафлопс.

Образование и переподготовка кадров:

• По направлению научного исследования подготовлены и защищены 2 докторские, 7 кандидатских и 6 магистерских диссертаций, 2 диссертации на соискание ученой степени PhD.
• Проведены 4 научные школы для молодых ученых по направлению научного исследования.
• 10 аспирантов и молодых ученых, членов научного коллектива лаборатории прошли стажировки в ведущих университетах и научных центрах мира.
• Более 60 молодых ученых из России и из-за рубежа прошли профессиональную переподготовку/повышение квалификации в лаборатории по направлению научного исследования.

Сотрудничество:

• Технический университет Брауншвейга, Университет Аугсбурга, Университет Байройт (Германия), Лундский университет, Уппсальский университет, Королевский технологический институт (Швеция), Политехническая школа (Франция), Гарвардский университет, Университет Дрекселя, университет Южной Каролины (США), Университет Чиао Тунг (Тайвань), Национальный центр фундаментальных наук имени С.Н. Бозе (Индия), Льежский университет (Бельгия), Университет Янчжоу (Китай): совместные исследования.
• Универчитет Линчепинга (Швеция): совместные исследования, стажировки молодых ученых и аспирантов.
• Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (Россия): совместные научные проекты, стажировки молодых ученых.
• Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (Россия): совместные научные проекты, проведение совместных конференций.
• Казанский научный центр Российской академии наук, Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (Россия): совместные научные проекты.
• Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н. Л. Духова (Россия): стажировки молодых ученых.

Также лабораторией осуществляется научное сотрудничество со следующими организациями: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Сколковский институт науки и технологий, Институт спектроскопии Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук, Воронежский государственный педагогический университет (Россия).