Физики создали «инструкцию» для синтеза композитных материалов из смятого графена

Ученые исследовали основные виды композитных материалов на основе смятого графена и металлов, создав базу данных с их механическими и физическими характеристиками. Ее можно будет использовать в качестве «инструкции» при создании и моделировании новых композитов, чтобы получить материал с точно заданными качествами. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Computer Physics Communications.

Композитные материалы на основе металлов и графена — углеродного слоя толщиной в один атом — широко используются в электронике, машино- и приборостроении, в авиации и аэрокосмической инженерии. Для создания композитов их сначала моделируют с помощью компьютерных программ, а потом на основе параметров, полученных в модели, синтезируют реальные образцы. При моделировании особенно важно правильно подобрать потенциал межатомного взаимодействия. Он представляет собой формулу, которая хранит основную информацию о физических и химических свойствах вещества. Есть много видов потенциалов, которые ученые задают при создании моделей, поэтому необходимо выбрать именно тот, который наиболее точно отразит все характеристики материала. Обычно потенциал подбирают опытным путем, подставляя его значение при моделировании и затем проверяя, отражает ли он реальные свойства того или иного материала. Из-за того, что сейчас нет информации, какой потенциал нужен для новых материалов, часто случаются ошибки, и синтезированное по модели соединение не обладает ожидаемыми свойствами.

Исследователи из Института проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа) создали базу данных с наиболее значимыми характеристиками для моделирования композитов. Авторы исследовали четыре различных по структуре материала на основе смятого графена и металлов (алюминия, меди, никеля и титана). Чтобы лучше понять свойства композитов, ученые рассмотрели несколько их вариантов: лист графена, связанный с одним атомом металла, графен, взаимодействующий с несколькими металлическими наночастицами, и трехмерный скомканный графен, заполненный наночастицами металла.

С помощью математического моделирования исследователи определили расстояние между атомами и подобрали потенциалы межатомного взаимодействия, которые смогут максимально точно описать взаимодействие между компонентами композита. Наиболее важный для определения потенциал — тот, что описывает связь металла и графена, потому что он отражает взаимодействие между разнородными составляющими материала. Потенциалы, которые использовали авторы, — это формулы, определяющие параметры моделирования. Чтобы понять, подходит ли выбранный потенциал, физики сравнивали свойства модели композита, полученные с использование того или иного потенциала, с данными реальных физических измерений (расстоянием между атомами материала, его жаропрочностью и другими).

Если данные моделирования с определенным потенциалом противоречили реальным показателям, — например, если было известно, что у образца композита температура плавления 3200℃, а в компьютерной модели с заданным потенциалом получалось 1000℃, — то ученые могли сделать вывод, что используемая формула неприменима к конкретному виду композита.

Для соединений с алюминием и титаном наиболее точным оказался сложный многокомпонентный потенциал связи между металлом и графеном, а для композитов с медью и никелем подошел самый простой потенциал, но с тщательно подобранными параметрами. При использовании вышеуказанных потенциалов при моделировании свойства оказывались наиболее близкими к реальным — предсказанное соединение имело именно то межатомное расстояние, какое наблюдается у физических объектов, а теоретическая температура плавления композита совпадала с практической. Учет этих потенциалов в дальнейшем позволит добиться наиболее точных результатов моделирования, благодаря чему на основе модели можно будет создать прочный и пластичный композит, применимый для создания защитных покрытий даже в авиакосмическом оборудовании. Все эти данные есть в открытом доступе в статье авторов, и любая исследовательская команда может использовать их для синтеза композитных материалов.

«Мы впервые подобрали потенциалы межатомного взаимодействия для уже имеющихся композитов на основе графена и металлов, которые в дальнейшем помогут создавать новые, более прочные и долговечные композитные материалы. Эти данные позволят многим начинающим исследователями в этой области, опираясь на уже проведенный анализ, быстро и эффективно моделировать композитные материалы на основе графена и металлов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Баимова, доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующая молодежной лабораторией «Физика и механика углеродных наноматериалов» ИПСМ РАН.