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Science et ingénierie des matériaux et des procédés
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Modélisation atomistique et simulation

Thermodynamique des phases complexes

Ce thème de recherche est développé dans le cadre de l'ANR Filémon (2005-2008), du programme COST-535 et des réseaux européens CMA et PsiK. Les approches dites de thermodynamique in silico permettent de déterminer les propriétés thermodynamiques des phases sans aucune information expérimentale. Cet objectif est réalisé en couplant des calculs énergétiques issus des approches ab initio à des calculs entropiques issus de la physique statistique. Nous pouvons ainsi étudier pour des systèmes simples (binaires, ternaires) l'apparition des états de base et leur évolution en fonction de la température, de la pression, d'une contrainte. Les transitions de phases sont accessibles par ces méthodes, l'équilibre des phases pour un système donné est plus difficile à atteindre avec la précision habituellement requise qui est de l'ordre de la centaine de Joules. Le grand avantage de cette approche in silico est qu'elle s'applique à tout type de matériaux même à l'échelle nanométrique.  Pour les systèmes multicomposants à fort impact industriel, nous développons des techniques plus versatiles qui couplent les calculs ab initio aux méthodes Calphad. L'approximation zéro est d'utiliser les calculs ab initio comme base de données pour les calculs Calphad. Une approximation plus sophistiquée est de paramétriser le modèle CEF (compound energy formalism) principalement utilisé dans la méthodologie Calphad sur une base ab initio.

Ordre local dans les liquides et les amorphes

Ce thème de recherche est développé selon deux axes de recherche dans le cadre du ANR VMMDuctile (2006-2009).
  • modélisation des verres métalliques massifs (VMM)
  •  compréhension de l'ordre local des liquides stables et en surfusion.
Il repose sur des compétences fortes en terme de calculs de  simulation par dynamique moléculaire ab initio et/ou classique, qui donnent une description à l'échelle atomique de la structure (ordre local, structure inhérentes, etc.), de la thermodynamique, de la dynamique (diffusion, viscosité, etc.) et du magnétisme. Au-delà d'un intérêt purement académique, ce thème représente un enjeu technologique puisqu'il est maintenant bien établi que la structure locale d'un liquide surfondu joue un rôle prépondérant dans les mécanismes de nucléation. Il s'agit, pour les alliages métalliques déterminés, d'appréhender les facteurs qui favorisent la germination ou, a contrario, ceux qui l'empêchent donc améliorent la capacité à former des VMM.

Polymorphisme

Ce thème de recherche s'inscrit dans le réseau européen SIMUL et concerne la modélisation du polymorphisme dans les matériaux à base de silicium (silicium pur, silice, etc.). L'étude du polymorphisme est importante pour la compréhension des mécanismes qui pilotent l'élaboration des matériaux à la base des dispositifs de la microélectronique notamment. Les changements structuraux en fonction des paramètres thermodynamiques du système (pression, température, vitesse de trempe), d'une part, engendrent une modification non seulement de l'ordre local mais également d'un ordre à plus longue distance, et d'autre part, possèdent une signature dynamique spécifique (propriétés dynamiques collectives, vitesse du son, etc.). Leur détermination par simulation nécessite un couplage adéquat des méthodes de dynamique moléculaire ab initio et classique, concept qui s'est avéré efficace pour l'étude de la transition liquide-liquide du silicium et de la densification de la silice amorphe.

Modélisations des nanomatériaux

La thermodynamique des systèmes finis et les conditions qui guident leur morphologie est peu connue d'un point de vue théorique à l'heure actuelle. Les compétences en terme de simulation à l'échelle atomique s'appliquent tout aussi bien aux systèmes finis qu'aux systèmes massifs. En ce qui concerne les agrégats, objets nanométriques qui sont d'un intérêt pour les phénomènes de solidification, les dépôts, la catalyse, etc., les simulations qui sont menées sont fondées sur une méthodologie qui combine deux étapes. La première étape utilise un algorithme génétique pour trouver les états de base et la seconde les reprend par dynamique moléculaire pour déterminer les propriétés thermiques (chaleur spécifique, propriétés de fusion, propriétés vibrationnelles). Ce thème fait l'objet d'une collaboration internationale avec l'Université de Chung Li (Taiwan), du réseau européen SIMUL et du GDR SURGECO.

mise à jour le 19 septembre 2014

Univ. Grenoble Alpes