Veda a výskum

Štúdium vlastností tuhých látok pri vysokých tlakoch pomocou počítačových simulácií

prof. Ing. Roman Martoňák, DrSc.

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave

Tlak je základným termodynamickým parametrom, ktorý určuje štruktúru tuhých látok. Pri vysokých tlakoch je možné stabilizovať nové typy chemických väzieb a štruktúr, ktoré majú netriviálne a užitočné vlastnosti. Známym príkladom je premena grafitu na diamant spojená s dramatickou zmenou vlastností. Správanie sa látok pri vysokých tlakoch je dôležité aj vo fyzike Zeme a planét, pretože v ich vnútri sa vyskytujú extrémne tlaky. V súčasnosti je možné v tzv. diamantovej komôrke (diamond anvil cell) experimentálne dosiahnuť tlak okolo 4 – 8 Mbar, čo je viac než tlak v strede jadra Zeme (cca 3.6 Mbar). Vlastnosti látok pri vysokom tlaku je možné študovať aj pomocou počítačových simulácií, kde v princípe neexistujú obmedzenia na tlak a teplotu, čo umožňuje napodobniť aj podmienky zatiaľ nedosiahnuteľné v laboratóriu. Štruktúrne transformácie však pre simulácie predstavujú netriviálnu úlohu, nakoľko reorganizácia atómov v hustej fáze je spojená s prekonávaním energetických bariér a transformácie preto prebiehajú pomaly. Pre simuláciu takýchto procesov bolo potrebné vyvinúť špeciálne metódy, ako napr. algoritmus [1] založený na tzv. metadynamike.

V našom výskume sa dlhodobo venujeme tejto problematike so zameraním na systémy, kde tlak indukuje zásadnú zmenu štruktúry aj elektronických vlastností. Príkladom je tlakom indukovaná polymerizácia, ktorá nastáva v molekulárnych systémoch s viacnásobnými väzbami. Pri vyšších tlakoch v takýchto systémoch z molekúl vznikajú polymerické reťazce, prípadne 2D alebo 3D siete, pričom táto transformácia môže nastať v kryštalickej alebo v amorfnej fáze. Nedávno sme v spolupráci s pracoviskami v Taliansku a v Číne študovali takúto transformáciu v SO2 [2], kde bola experimentálne aj v simuláciách pozorovaná existencia dvoch amorfných fáz – molekulárnej a polymerickej (Obr.1). Tento veľmi zaujímavý a zatiaľ nie celkom preskúmaný jav sa nazýva polyamorfizmus a jeho pozorovanie v SO2 predstavuje nový a doposiaľ neznámy príklad jeho existencie.

https://www.nature.com/articles/nmat1696

https://arxiv.org/abs/1910.04438

Image1

Amorfná vzorka SO2 pri rôznych tlakoch. Vľavo: východisková molekulárna amorfná štruktúra pri tlaku 10 GPa. V strede: polymerická amorfná štruktúra po kompresii na tlak 40 GPa. Vpravo: molekulárna amorfná štruktúra po dekompresii na tlak 10 GPa. Farba S-atómov reprezentuje koordináciu, pričom žlté atómy sú v molekulách a modré atómy sú v polymerických reťazcoch.