Instytut Fizyki Molekularnej Polskiej Akademii Nauk

Zakład Fizyki Komputerowej Układów Złożonych



Kierownik zespołu: prof. dr hab. Krzysztof Witold Wojciechowski

Cele badawcze

Poszukiwanie, opis i wyjaśnianie zjawisk niezgodnych z intuicją oraz 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

  • 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)]
  • 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)].

W latach 2009-2017 realizowano 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. Trzeci z realizowanych projektów dotyczył modelowania komputerowego pian auksetycznych. Pokazano, między innymi, że ściskając modelowe piany o dodatnich współczynnikach Poissona i usuwając naprężenia otrzymuje się auksetyki.

Tło strony

Żel fizyczny utworzony przez żelator methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glukopyranozę z butanolem w stężeniu 2%, obraz z polaryzacyjnego mikroskopu optycznego