Dinâmica de crescimento de cristais em líquidos super-resfriados sondada por dinâmica molecular

• Processo: 22/05837-5
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2022
• Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2024
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Edgar Dutra Zanotto
• Beneficiário: Azat Tipeev
• Instituição Sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 13/07793-6 - CEPIV - Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros, AP.CEPID
• Assunto(s): Simulação de dinâmica molecular Crescimento de cristais Cristalização Cinética Nucleação
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: computer simulation | Critical nucleus | Crystal growth | Crystallization | Kinetic barrier | Nucleation | Simulação computacional de materiais

Resumo

O presente projeto está focado no problema fundamental do crescimento de núcleos cristalinos em líquidos super-resfriados. Apesar dos avanços em experimentos de laboratório, ainda é extremamente difícil determinar experimentalmente certas propriedades-chave do crescimento de cristais minúsculos, bem como de líquidos altamente metaestáveis. Novas possibilidades de aprendizado sobre o crescimento de cristais em nível microscópico estão disponíveis por poderosas ferramentas de simulação computacional, que nos permitem obter informações confiáveis sobre as propriedades de núcleos cristalinos nanométricos e testar teorias de crescimento de cristais. Neste trabalho, planejamos investigar o mecanismo e a dinâmica de crescimento de cristais em germânio puro e em uma liga binária de AlCu, utilizando simulações de computador paralelo de alto desempenho, envolvendo um novo potencial para AlCu desenvolvido por meio de aprendizado de máquina profundo via rede neural. Várias técnicas computacionais serão usadas, por exemplo, o método de semeadura, o método do tempo médio de vida, o método do tempo médio de primeira passagem, métodos de identificação da estrutura cristalina, etc., que nos permitem obter diretamente as valiosas informações microscópicas: a taxa de ligação atômica ao núcleo crítico, o tamanho crítico dos núcleos, a força motriz termodinâmica, as barreiras cinética e termodinâmica, a velocidade de crescimento dos cristais e os coeficientes de viscosidade e difusão em uma ampla faixa de superresfriamento, até 30% abaixo do ponto de fusão. Os resultados da simulação serão comparados com dados experimentais disponíveis na literatura (sempre que possível), e, em seguida, usados para testar as habilidades das teorias de Wilson-Frenkel, Broughton-Gilmer-Jackson, Kelton-Greer e de nucleação clássica na previsão da cinética de crescimento de cristais em líquidos Ge e AlCu. Essas possíveis descobertas teóricas e computacionais ajudarão a entender em detalhes a dinâmica do crescimento de cristais no nível atomístico e poderão esclarecer várias questões fundamentais relacionadas a líquidos super-resfriados. (AU)