Ako sa jeden kryštál mení na druhý

Štúdia nukleácie v tlakom indukovanom štruktúrnom fázovom prechode v kuchynskej soli bola 31. augusta 2021 publikovaná v prestížnom fyzikálnom časopise Physical Review Letters a autormi sú Mgr. Matej Badin a prof. Roman Martoňák z Katedry experimentálnej fyziky FMFI UK.


03. 09. 2021 14.56 hod.
Od: Roman Martoňák

Pri dostatočne vysokom tlaku sa usporiadanie atómov v kryštáli zmení. Atómy sa presunú z pôvodných polôh a nájdu si nové, pričom vznikne nová štruktúra, ktorá môže mať úplne odlišné vlastnosti. Príkladom je zmena grafitu na diamant a vo všeobecnosti tomuto procesu hovoríme štruktúrny fázový prechod. 

Ale ako presne prebieha takýto prechod? Vieme ho teoreticky pochopiť, prípadne simulovať na počítači? A je vôbec dôležité vedieť detaily? 

Najdôležitejšie je samozrejme vedieť, aká nová štruktúra vznikne. Ale zmena štruktúry má charakter turistickej cesty z jednej strany pohoria na druhú. Vieme, že najjednoduchšie je prejsť cez najnižší sedlový bod. Analógiou výšky v turistike je energia. Atómy sa preskupia tak, aby to stálo minimum energie. Ak existuje viacero ciest do rôznych dolín, vyhráva tá, ktorá ide cez najnižšie sedlo. Takže ak chceme vedieť, kam zmena štruktúry smeruje, treba nájsť najnižšie sedlo energie. 

Táto úloha sa môže zdať jednoduchá, avšak v skutočnosti takou nie je. Komplikuje ju fakt, že zmena štruktúry musí niekde začať. Najprv sa zmení malá časť kryštálu, ktorá však ostáva stále obklopená pôvodnou štruktúrou, ktorej sa musí prispôsobiť. Hovoríme tomu vznik nukleačného jadra. To až po dosiahnutí určitej kritickej veľkosti začne spontánne rásť a nakoniec sa zmena rozšíri na celý systém. V doterajších simuláciách sa používal zjednodušený prístup, kde sa uvažovalo len niekoľko atómov - tzv. jednotková bunka, ktorej opakovaním vo všetkých smeroch získame celý kryštál. Tento prístup však úplne ignoruje nukleáciu (jednoducho povedané, všetky atómy robia naraz to isté) a zo svojej podstaty nemôže poskytnúť realistické výsledky.

Problémom realistickej simulácie vzniku nukleačného jadra sa zaoberal doktorand Matej Badin (je PhD študentom súčasne v SISSA Trieste a na FMFI UK) vo výskumnej skupine prof. Romana Martoňáka na Katedre experimentálnej fyziky. S použitím metódy zvanej metadynamika (A. Laio a M. Parrinello 2002) sa zamerali na štúdium štruktúrneho prechodu v dobre známom systéme - kuchynskej soli NaCl. Zo strednej školy vieme, že atómy v soli sú usporiadané tak, že každý atóm je obklopený 6 atómami opačného typu. Pri tlaku 200000 atmosférických tlakov sa to však zmení a atómy sa uložia tak, aby každý mal okolo seba 8 atómov opačného typu. Túto vlastnosť - zmenu počtu susedných atómov využili autori pri konštrukcii simulačnej metódy. V počítačovej simulácii sa podarilo vo veľkých systémoch (v najväčšom bolo 64000 atómov) priamo pozorovať vznik nukleačného jadra (obrázok) a preskúmať jeho vlastnosti. Proces možno sledovať na animácii

Možnosť simulácie nukleačných procesov otvára nové cesty smerujúce k podstatne hlbšiemu pochopeniu štruktúrnych prechodov aj k ich systematickému využitiu na prípravu nových materiálov so zaujímavými vlastnosťami. Predpokladá sa, že podstatnú úlohu pri nukleácii môžu zohrávať defekty kryštálovej štruktúry, čiže oblasti, kde atómy v pôvodnom kryštáli neboli poukladané úplne správne (napr. takzvané dislokácie alebo hranice zŕn). Jednoducho povedané, zmena začne tam, kde je už pôvodná štruktúra narušená. Nová simulačná metóda by mala prirodzene umožniť simuláciu takýchto systémov s defektmi, čo pomocou doterajších metód nebolo možné. 

Práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja (granty APVV-15-0496 a APVV-19-0371), grantom VEGA 1/0640/20 a grantom UK/436/2021.

Nucleating a Different Coordination in a Crystal under Pressure: A Study of the B1−B2 Transition in NaCl by Metadynamics,
Matej Badin and Roman Martoňák, Phys. Rev. Lett. 127, 105701 – Published 31 August 2021