Zakład Fizyki Komputerowej Układów Złożonych

Cele badawcze

Poszukiwanie, opis i wyjaśnianie zjawisk niezgodnych z intuicją, a w szczególności badanie modeli i materiałów o właściwościach anomalnych (np. o ujemnym współczynniku Poissona, ujemnej rozszerzalności termicznej, czy – lokalnie lub kierunkowo - ujemnej podatności mechanicznej) lub ekstremalnych (np. zawierających niestabilne inkluzje). Badanie wpływu różnych czynników mikroskopowych na właściwości makroskopowe układów. Identyfikacja zjawisk i mechanizmów odpowiedzialnych za specyficzne właściwości materii, możliwe do wykorzystania w praktyce przy tworzeniu nowych materiałów o specjalnych właściwościach.

Profil badawczy

Prowadzone badania dotyczą mikro- i makroskopowych modeli układów złożonych pod kątem ich wyjątkowych właściwości fizycznych: strukturalnych, termodynamicznych oraz dynamicznych. Szczególnie intensywnie badane są tzw. auksetyki, czyli układy wykazujące anomalny (ujemny) współczynnik Poissona oraz materiały z niestabilnymi inkluzjami, układy wykazujące ujemną rozszerzalność termiczną i układy magneto-elastyczne. Oprócz metod teoretycznych, w zakładzie wykorzystuje się szeroki wachlarz metod symulacji komputerowych i technik numerycznych: dynamikę molekularną, Monte-Carlo, metody siatkowe (metodę elementów skończonych) i bezsiatkowe (metodę rozwiązań fundamentalnych).

Programy badawcze

Projekt NCN - Modelowanie komputerowe pian auksetycznych (2013-2017, kierownik: mgr inż. A.A. Poźniak, opiekun: prof. dr hab. K.W. Wojciechowski))
Projekty MNiSW:
1. Wpływ polidyspersji rozmiaru cząstek na własności sprężyste modeli klasycznych (2010-2013, kierownik: dr hab. K.V. Tretiakov)
2. Wpływ polidyspersji rozmiarów cząstek na własności sprężyste wybranych modeli molekularnych (2007-2009, kierownik: prof. dr hab. K.W. Wojciechowski, doktorant: mgr inż. J.W. Narojczyk)

Osiągnięcia naukowe

Zbadano właściwości sprężyste dwuwymiarowych kryształów twardych dysków zawierające periodyczne makro-struktury „plastra miodu”, „zig-zag”, „re-entrant” oraz „gwiaździste”, które są skomponowane z dysków nieznacznie różniących się średnicami od pozostałych dysków. Wykazano, że współczynniki Poissona takich struktur mają wartości dodatnie, a niekiedy nawet przekraczają wartość +1. Wyniki te – w przypadku struktur re-entrant i struktur gwiaździstych, które są klasycznymi przykładami auksetyków (a więc materiałów o ujemnym współczynniku Poissona) dla standardowych materiałów - stanowią elementarne kontrprzykłady (odpowiednio dla klas układów anizotropowych i izotropowych) wobec panującego przekonania, że własności metamateriałów są zdeterminowane przez ich strukturę. [ M. Bilski, K.W. Wojciechowski, T. Stręk, P. Kędziora, J.N. Grima-Cornish, M.R. Dudek, Materials, 14, 7837, 2021]
W pracy pokazano, że własności sprężyste kryształu f.c.c. twardych kul mogą być w znacznym stopniu modyfikowane poprzez wprowadzenie do struktury krystalicznej periodycznych sieci nanoinkluzji złożonych z twardych kul o średnicach niewiele większych od średnic kul tworzących kryształ. Pokazano, że wykorzystując hybrydową nanoinkluzję, złożoną z nanokanału i nanowarstwy, można całkowicie wyeliminować własności auksetyczne kryształu f.c.c., czyli występowanie w nim ujemnych wartości współczynnika Poissona. Warto zauważyć, że: (1) zastosowana hybrydowa nanoinkluzja utworzona została ze składowych, które osobno wzmacniają własności auksetyczne i (2) auksetyczność w kierunku [110][110] jest jedną z charakterystycznych cech kryształu f.c.c. twardych kul. [J.W. Narojczyk, K.W. Wojciechowski, J. Smardzewski, A.R. Imre, J.N. Grima, M. Bilski, Materials 14, 3008, 2021]
Badano nieliniowe własności optyczne (NLO) chiralnych, smektycznych ciekłych kryształów w szerokim zakresie temperatur, od 30 do 150 oC, przy użyciu dwóch metod optycznych: rozpraszania Hyper-Rayleigh’a (HRS) i generacji drugiej harmonicznej (SHG). Badania właściwości NLO ferroelektrycznych ciekłych kryształów pozwoliły na wykrycie obecności centrosymetryczności. Brak centrosymetryczności jest fundamentalnym warunkiem występowania drugorzędowych efektów NLO. Efekty NLO faz smektycznych były badane również przez obrazowanie przy pomocy szerokokątowej mikroskopii generacji drugiej harmonicznej oraz mikroskopii dwufotonowej, potwierdzając brak centrosymetryczności w związkach posiadających dwufenylowe -sprzężenie. [S. van Cleuvenbergen, G. Depotter, K. Clays, P. Kedziora, Journal of Molecular Liquids 326, 115328, 2021]
Obliczono przewodnictwo cieplne nanodrutów argonowych w szerokim zakresie temperatur od 20 K do 70 K przy użyciu równania Boltzmanna i niezależnie za pomocą symulacji dynamiką molekularną (MD). Stwierdzono, że wyniki symulacji MD są w dobrej zgodności z przewidywaniami teoretycznymi. Uzyskane wyniki pokazały, że efekt utrzymania fononów wpływa na przewodnictwo cieplne nanodrutów, ale dominującym czynnikiem zmniejszającym przewodnictwo cieplne wraz z grubością nanodrutów jest rozpraszanie fononów na granicach układu. Ponadto pokazano, że zwierciadlane rozpraszanie fononów przeważa nad dyfuzyjnym rozpraszaniem fononów na granicy układu. [K.V. Tretiakov, K. Hyżorek, Journal of Chemical Physics 154, 054702, 2021]
W artykule przedstawiono wyniki badania wpływu implantacji jonów do powierzchni wkładek prowadzących do wierteł przeznaczonych do wykonywania głębokich otworów. Badania, wykonane w warunkach przemysłowych potwierdziły, że implantacja powierzchni roboczych jonami azotu znacząco wydłuża żywotność narzędzia. Wkładkami prowadzącymi, zaimplantowane dawkami jonów 3 × 1017 cm−2 i 4 × 1017 cm−2 wykonano dwukrotnie więcej otworów niż w przypadku wkładek nieimplantowanych, a w przypadku dawki 5 × 1017 cm−2 wykonano ich dwu i półkrotnie więcej. Badania potwierdziły, że techniki implantacji jonów do powierzchni roboczych narzędzi pomaga zmniejszyć tarcie pomiędzy narzędziem i przedmiotem obrabianym oraz wydłużyć czas przydatności narzędzia. [D. Morozow, M. Barlak, Z.Werner, M. Pisarek, P. Konarski, J. Zagorski, M. Rucki, L. Chalko, M. Lagodzinski, J. Narojczyk, Z. Krzysiak, J. Caban, Materials 14, 239, 2021]
Badania mikroskopowe, transmisji światła, dielektryczne i rozpraszania Hyper-Rayleigh dwóch pochodnych bipirymidyny wykazały duże zróżnicowanie własności fizykochemicznych obu związków (prawoskrętnego i lewoskrętnego). Wykryto, że obie pochodne w pewnym zakresie temperatur wykazują własności ciekłokrystaliczne. Oprócz silnej fluorescencji i absorpcji dwufotonowej materiały te wykazują generację drugiej harmonicznej podczas naświetlania światłem laserowym [S. van Cleuvenbergen, P. Kedziora, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 56, 9546-9550 (2017)].
Za pomocą symulacji komputerowych zbadano ewolucję czasową domen magnetycznych w magnetycznych auksetykach z oddziaływaniem Isinga, w którym oddziaływanie magnetyczne zależy od stałej sieci. Pokazano, że deformacja mechaniczna struktury wpływa na sposób ewolucji domen, a szybkość wzrostu domen nie spełnia zależności potęgowej związanej z modelem Isinga przy ustalonej stałej sieci. Pokazano też, że zmieniając szybkość deformacji mechanicznej badanego układu można kontrolować wzrost domen magnetycznych, a w konsekwencji właściwości magnetyczne układu. Może to mieć znaczenie dla pewnych zastosowań [K.K. Dudek, et al. Phys. Stat. Solidi RRL 11 (8) 1700122 (2017)].
Zbadano za pomocą symulacji komputerowych (metodą elementów skończonych) wybrane struktury kompozytów planarnych z periodycznymi inkluzjami o kształcie elips. Pokazano, że za pomocą nieauksetycznych makroinkluzji w nieauksetycznej matrycy można otrzymać auksetyczne kompozyty z dużym modułem Younga [A.A. Pozniak, K.W. Wojciechowski, J.N. Grima, L. Mizzi, Composites Part B 94, 379-388 (2016)].
Za pomocą symulacji komputerowych wielkiej skali (1 milion godzin CPU) pokazano jak wytworzyć z grafenu najcieńszy auksetyk jaki dotychczas zaproponowano. Wyjaśniono też mechanizm auksetyczności w zbadanym materiale [J.N. Grima et al., Adv. Mater. 27, 1455 (2015)]
Zaproponowano nową, bardzo efektywną metodę obliczania stałych sprężystości w układach z oddziaływaniami dalekozasięgowymi i przetestowano ją w przypadku potencjału Lennarda-Jonesa [K.V. Tretiakov, K.W. Wojciechowski, Computer Phys. Commun. 189, 77 (2015)]
Metodą pola średniego McMillana zbadano strukturę i właściwości cienkich warstw smektycznych umieszczonych w wodzie. Stwierdzono, że przechodzenie molekuł układu z fazy smektycznej A do fazy izotropowej, zwane umownie ”topnieniem”, zachodzi od środka układu ku powierzchniom [I. Śliwa, A.V. Zakharov, J. Chem. Phys. 141, 194706 (2014)]
Pokazano, że w układach znajdujących się daleko od równowagi termodynamicznej natura sprzyja realizacji stanów z mniejszą szybkością energii dyssypacji. Stany z większą energią dyssypacji są również dozwolone, lecz z mniejszym prawdopodobieństwem [K.V. Tretiakov et al., Angewandte Chemie Intern. Ed. 52, 10304 (2013)]
Metodami elementu skończonego pokazano, że po jednorodnym ściskaniu i po pozbawieniu naprężeń wewnętrznych, modelowe piany planarne spontanicznie przechodzą do stanu auksetycznego (ich współczynnik Poissona z dodatniego staje się ujemny). Oznacza to, że stosowane dotychczas metody auksetyzacji pian są szczególnymi przypadkami ogólniejszej strategii [A.A. Poźniak et al., Smart Mater. Struct. 22, 084009 (2013)]
Pokazano, że współczynnik Poissona dwuwymiarowego układu polidyspersyjnych twardych dysków dla dowolnej niezerowej polidyspersji dąży do 1 w granicy bardzo dużych ciśnień. Implikuje to nieciągłość współczynnika Poissona w tej granicy, gdy polidyspersja dąży do zera [K.V. Tretiakov, K.W. Wojciechowski, J. Chem. Phys. 136, 204506 (2012)]
Pokazano, że heterozłącza nanorurek węglowych filtrują konkretne mody drgań, co można wykorzystać do budowy nowych nano-sensorów naprężeń lub filtrów drgań [F. Scarpa et al., Nanotechnology 22, 465501 (2011)]
Pokazano, że poniżej pewnego krytycznego współczynnika Poissona układy auksetyczne wykazują lokalnie ujemną podatność mechaniczną. Zachęca to do wykorzystywania auksetyków jako inkluzji w produkcji materiałów o ekstremalnych własnościach mechanicznych (twardości, tłumienia itp.) [A.A. Poźniak et al., Rev. Adv. Mater. Sci. 23,169 (2010)]
Zbadano rozchodzenie się fal solitonowych w płytach auksetycznych. Wyniki mogą być pomocne do nieniszczącej analizy materiałów, szczególnie kompozytów, przy użyciu impulsów solitonowych, które są znacznie słabiej tłumione niż stosowane dotychczas drgania harmoniczne [P. Kolat et al., J. Non-Cryst. Solids 356, 2001 (2010)]
Pokazano, że (i) polidyspersja rozmiarów cząstek prowadzi zwykle do wzrostu współczynnika Poissona, który (ii) dla układów anizotropowych może być znacząco niższy niż w przypadku układów izotropowych. Zidentyfikowano pewne mechanizmy, prowadzące do obniżenia współczynnika Poissona [J.W. Narojczyk, Rozprawa doktorska (2009)]
Po raz pierwszy wykonano pomiary relaksacji nieliniowego efektu dielektrycznego nie tylko w fazie izotropowej, ale także w fazie niebieskiej i cholesterycznej [P. Kędziora, K.W. Wojciechowski, J. Phys. Chem. B 113, 9123 (2009)]

W latach 2009-2017 zrealizowano 3 projekty badawcze. Dwa z nich dotyczyły wpływu polidyspersji rozmiarów cząstek na właściwości sprężyste układów modelowych. Zaobserwowano auksetyczność w szeregu układów i pokazano, że (w granicy dużych ciśnień) nieporządek powoduje wzrost średniego współczynnika Poissona do jego ekstremalnej wartości dodatniej możliwej w układach izotropowych (typu gumy). Trzeci z projektów dotyczył modelowania komputerowego pian auksetycznych. Pokazano, między innymi, że ściskając modelowe piany o dodatnich współczynnikach Poissona i usuwając naprężenia otrzymuje się auksetyki.