Компьютерное моделирование стеклования в системе коллапсирующих сфер

Р.Е. Рыльцев¹, Н.М. Щелкачев^1,2, В.Н. Рыжов³

1 – Институт Металлургии УрО РАН

2 – Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау

                        3 – Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина

Получение аморфных материалов  с заданными свойствами является важнейшей практической задачей. Ее решение невозможно без всестороннего изучения физических процессов и механизмов стеклования, что обуславливает также и фундаментальный интерес к данной проблеме. В силу отсутствия строгой теории и сложности аналитического описания процесса стеклования основным инструментов теоретического исследования здесь является компьютерное моделирование методом молекулярной динамики.

Основной целью данной работы является исследования стеклования методами молекулярной динамики. Решение этой задачи требует больших затрат машинного времени в силу необходимости рассматривать большие системы и по причине медленной релаксации системы в окрестности температуры стеклования. Это заставляет  искать оптимальные модельные системы, которые должны быть достаточно простыми, но вместе с тем описывать свойства некоторого класса конкретных систем. Одной из таких систем является система коллапсирующих сфер, описываемых эффективным парным потенциалом с отрицательной кривизной в области отталкивания. Такие потенциалы используются в качестве простейших моделей систем с направленными связями типа воды, кремнезема и др.

Проведено компьютерное моделирование структурных и динамических свойств системы коллапсирующих сфер. Впервые для однокомпонентных систем с изотропными потенциалами обнаружено стеклование при квазиравновесном охлаждении, сопровождающееся рекордно большими отклонениями температурных зависимостей транспортных коэффициентов от закона Аррениуса. Найденная зависимость температуры стеклования от плотности имеет аномальный немонотонный характер, что объясняется квазибинарным поведением системы. Полученные результаты дают вклад в развитие общей теории стеклования, которая является фундаментальной основой для технологий изготовления аморфных сплавов и композитных нанокристаллических материалов с заданными свойствами.