Estudio mediante Dinámica Molecular del aluminio policristalino nanoestructurado

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María Dolores Alarcón Prado
hace 8 años
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1 Estudio mediante Dinámica Molecular del aluminio policristalino nanoestructurado Trabajo Fin de Máster Máster en Diseño Avanzado en Ingeniería Mecánica Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla Tutor: Johan Wideberg Cotutores: Juan José Meléndez Martínez Departamento de Física. Universidad de Extremadura Diego Gómez García Departamento de Física de la Materia Condensada. Universidad de Sevilla

Sevilla Tutor: Johan Wideberg Cotutores: Juan José Meléndez Martínez Departamento de Física.

2 ÍNDICE ÍNDICE... 2 INTRODUCCIÓN... 3 Problema a estudiar. Importancia tecnológica y científica... 4 ESTADO DEL ARTE... 6 MÉTODO DE CÁLCULO Dinámica Molecular Potenciales EAM Metodología RESULTADOS Y DISCUSIÓN CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS AGRADECIMIENTOS BIBLIOGRAFÍA

.. 10 Dinámica Molecular... 10 Potenciales EAM... 14 Metodología.

3 INTRODUCCIÓN La Nanociencia es un área de rápido crecimiento y con gran impacto tecnológico. El comportamiento de materiales en la escala nanométrica es diferente al que presentan a escala macroscópica, resultando a veces en propiedades extraordinarias, lo que da lugar a nuevas áreas de aplicación: materiales ultrarresistentes [1 3], resistentes a la radiación [4], etc. Los nanosistemas tienen propiedades diferentes a las del mismo material no estructurado, con potenciales nuevas aplicaciones, lo que hace interesante su estudio, que debe abordarse desde varios frentes (experimental, teórico, simulación, etc.) y a diferentes escalas de longitud. El desarrollo de nuevas aplicaciones en Nanociencia implica conseguir una fuerte conexión entre experimentos, simulaciones atomísticas y modelos macroscópicos. Los experimentos realizados para estudiar los nanomateriales involucran trabajar en escalas nanométricas y, por lo tanto, son muy costosos y difíciles de realizar. Experimentos novedosos que permiten estudiar la evolución temporal de los materiales nanoestructurados están en la escala temporal de los milisegundos [5,6]. Sin embargo, la escala de tiempo relevante para transformaciones de fase, movimiento de defectos y nucleación generalmente están en el rango pico - nanosegundo. Complementando los experimentos, las simulaciones computacionales permiten analizar sistemas a diferentes escalas gracias a los avances en software y hardware para la paralelización. Hoy en día, clusters de computadoras permiten simular muestras de decenas de nanómetros durante varios nanosegundos [7]. A medida que avanzan los métodos experimentales, hay avances en el área de los métodos de simulación que permiten estudiar estos sistemas a escala atómica. Uno de estos métodos es el de Dinámica Molecular (DM), que se basa en resolver numéricamente las ecuaciones de movimiento de un conjunto de átomos interactuando mediante potenciales clásicos. Típicamente, las simulaciones por DM de materiales nanoestructurados están restringidas a sistemas muy básicos, monocristales con un solo componente y con átomos ocupando posiciones en una red sin impurezas o defectos. Utilizando condiciones de contorno adecuadas, esto puede ser apropiado para simular muestras volumétricas. Sin embargo, la mayoría de los materiales contienen defectos que, incluso en muy pequeñas cantidades, 3

aplicación: materiales ultrarresistentes [1 3], resistentes a la radiación [4], etc.

4 pueden modificar las propiedades mecánicas y electrónicas. Por ejemplo, las tensiones de fluencia del cobre o del níquel tienen un valor medido del orden de 0.1 GPa, mientras que el valor obtenido de las simulaciones es un orden de magnitud mayor. Estas diferencias ocurren porque la presencia de dislocaciones [8] u otros defectos en el material real permite que la plasticidad comience a tensiones mucho menores que en un monocristal perfecto. Estudios tanto teóricos como experimentales han puesto de manifiesto que la cinética del crecimiento de grano en materiales nanocristalinos puede ser diferente de la que experimentan materiales de escala mesoscópica. Los efectos en la nanoescala sobre la cinética pueden deberse a una variedad de factores, como son la función de las uniones triples o de la rotación de los granos. Problema a estudiar. Importancia tecnológica y científica El presente trabajo fin de máster resume el proceso de investigación realizado por el autor durante los últimos meses en el campo de la DM. Los trabajos desarrollados están enfocados a la consecución de dos objetivos: El primero es el de obtener los conocimientos y desarrollar las destrezas y metodologías de cálculo mediante DM necesarias. El segundo de los objetivos es el de estudiar, mediante simulación numérica, la evolución microestructural de un nanocristal metálico a temperatura constante. Para abordar con rigor este problema es indispensable conocer la ley de movilidad de las fronteras de grano en función de la temperatura. Dos propiedades son las que determinan la capacidad de migración de una frontera de grano: su energía y su movilidad. La energía de una frontera de grano viene determinada por el exceso de energía de los átomos situados en las regiones desordenadas con respecto a los situados en el interior de los granos. La movilidad es considerada como un parámetro intrínseco de una frontera de grano y gobernada por la respuesta de esta ante una fuerza motriz. Puesto que la movilidad de las fronteras de grano en un policristal depende de factores como la geometría de la frontera, el ángulo de desorientación entre granos, el tamaño de grano o la estructura local de defectos en la frontera, su estudio sólo puede 4

Estas diferencias ocurren porque la presencia de dislocaciones [8] u otros defectos en el material real permite que la plasticidad comience a tensiones mucho menores que en un monocristal perfecto.

5 abordarse desde la perspectiva de una descripción atomística. Por ese motivo, nuestro estudio de movilidad se realizará mediante DM a partir de un modelo para el aluminio nanocristalino. La metodología desarrollada (que incluye la construcción del modelo estructural, los parámetros para simulaciones dinámicas y las técnicas de análisis de resultados) ha sido optimizada para este tipo de sistemas, y puede ser aplicada a estudios posteriores. 5

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