Що таке теорія функцій щільності?

Функціональна теорія щільності (DFT) є квантовим методом механічного моделювання, що використовується для дослідження електронної структури багатофункціональних систем, зокрема атомів, молекул і конденсованих фасонів. На її основі DFT замінює комплексну багатоелектронну хвилюючу функцію з електронною щільністю як фундаментальну змінну, різко зменшуючи обчислювальну вартість при збереженні високої точності. Цей підхід, вкорінений в теоремах Хохенберг-Конн і рівняння Кохн-Шам, дозволяє науковцям розрахувати джерела енергії, електронні структури і матеріальні властивості з перших принципів. Для подальшого фундаментального читання див. [FLT][FLT][F:][F:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en:en][

DFT стала робочим органом обчислювальної науки, оскільки він впливає на баланс між точністю і доцільністю. На відміну від методів хвильової роботи, які погано масштабуються з розміром системи, DFT може рутинно обробляти сотні атомів, що робить його ідеальним для моделювання порушень матеріалів, таких як окуляри.

Чому використовувати DFT для скломатеріалів?

Скляні матеріали властиво аморфним – вони не мають тривалого періодичного порядку кристалів. Цей структурний розлад робить їх експериментальною характеризацією складною і дорогою. DFT пропонує потужну альтернативу, що дозволяє атомістичними імітаціями нерозривних мереж, забезпечуючи розуміння, які важко або неможливо отримати через експерименти самостійно.

Розуміння атомної структури нанорозмірі

З DFT дослідники можуть будувати реалістичні моделі скла шляхом розміщення атомів в імітаційній коробці і розслаблення їх до мінімуму конфігурацій енергії. Цей процес захоплює короткий і середній порядок, який регулює основні властивості. Наприклад, DFT імітації силікатних скла розкриють розподіл хабардних і незламних кисневих атомів, які безпосередньо корелює з в'язкістю і хімічною міцністю. За систематично різною складовою вчені можуть на карті, як кожен елемент впливає на скляну мережу.

Вирок електронних та оптичних властивостей

Розрахунок DFT надає детальну інформацію про електронні структури, включаючи проміжки смуги, щільність станів, оптичні поглинання спектри. Для нових скляних матеріалів, призначених для фотоніки або електроніки, ці прогнози, що керують вибором допантів і модифікаторів. Наприклад, DFT використовується для вивчення склопластиків для інфрачервоних оптиків, точно репродукції експериментальних тенденцій у рефракційних індексах і вікнах прозорості.

Симуляційні конструкції з DFT

Одним з найбільш складних аспектів скляної науки є відсутність єдиної структури «земного стану». Окуляри займають безліч метазованих конфігурацій, а DFT допомагає вивчити цей енергетичний ландшафт. Загальні підходи включають плавлення-кегнічне моделювання, де рідкі фази швидко охолоджуються в силіко, або використання емпіричних потенціалів, які слідують рефінансуванням DFT.

Технології релаксації та релаксації

У типовому дослідженні плавлення DFT рідина рівновага при високій температурі (наприклад, 3000 К для силікатів), потім охолоджується покрокова до кімнатної температури. Отримана аморфна структура потім повністю розслаблена за допомогою сил DFT. Цей процес дає моделі, які тісно відповідають експериментальним функціям розподілу пар і нейтронним розсіюванням даних.

Ручне моделювання розміру клітин

Оскільки DFT є обчислювально інтенсивними, імітаційними клітинами для окулярів часто обмежуються кількома сотними атомами. Однак цей розмір зазвичай достатньо для захоплення місцевих структурних мотивів, таких як кільця, клітки та координація полігедра. Для вивчення більш тривалого впливу гібридні підходи поєднують DFT з класичних силових полів або машинних навчальних потенціалів.

Ключові властивості, які слідують DFT в окулярах Novel

Дослідники застосовуються DFT до широкого спектру скляних систем, від традиційних силікатів до з'являються матеріалів, таких як металеві окуляри, оксидні окуляри для твердих батарей, і склокераміка. Нижче наведено деякі з найважливіших властивостей, що проаналізуються через DFT.

Механічні властивості: твердість і еластичність

При розрахунку пружних констанцій від стрес-напруження, DFT може прогнозувати модулу Юна, сипучих модулях, а також зсувні модуля скляних моделей. Це важливо для проектування скла з високою міцністю або незвичайною гнучкістю. Наприклад, дослідження DFT на алюмінолікатних стаканах пов'язані з підвищенням вмісту в більш високу мережеву з'єдність і жорсткість.

Теплова стійкість та склоперехід

Хоча перехід скла є динамічним процесом, DFT може забезпечити статичні показники, такі як конфігураційні відмінності енергії між аморфними і кристалічними фазами. Ці уявлення допомагають оцінити термодинамічну силу водіння для кристалізації, яка є критичною для склоформування здатності.

Хімічна довговічність і Іон Транспорт

Для склянок, які використовуються в біомедичних імплантаціях або ядерних відходах, є параmount. Моделювання DFT води або іон діфузії через скляні мережі, виявляють вразливі місця, де відбувається гідроліз або виснаження. Аналогічно для натрієво-іонних очисних окулярів (наприклад, для батарейних електролітів), DFT розкриває бар'єри і переохолоджувальні доріжки.

Кейс-редуктор: DFT Прикладний для безкоштовних скломатеріалів

Кілька останніх досліджень висвітлюють вплив DFT на дослідження скла.

Келихи хлоридні для середньої інфрачервоної фотоніки

Келихи хлоридів (контейнер S, Se, Te) присуджені за свою інфрачервону прозорість. Розрахунок DFT дослідниками Університету Кембридж прогнозували нові композиції Ge-As-Se з зниженими концентраціями дефектів, що призводять до поліпшення передачі. Ці прогнози були експериментально перевірені, демонструючи роль DFT в акселективному відкритті.

Металеві окуляри з підвищеною сухістю

На болгарках металеві окуляри (BMGs) страждають ламкістю. Моделювання DFT на основі Zr БМГ виявили, що додавання невеликих обсягів благородних металів (наприклад, Pd) змінює короткочасне замовлення, пригнічуючи утворення зсувної смуги. Це призвело до дизайну відучої БМГ з рекордною жорсткістю. А пов'язана з DFT дослідження на металевій скляній жорсткісті забезпечує подальші деталі.

Літієв-Іон Проведення скло Electrolytes

Акумулятори твердої залози вимагають електролітів з високою іонною провідністю. Дослідження DFT на літій силікатних і літійських фосфатах оксинітрид (LiPON) ідентифіковані, що збільшення співвідношення незламного кисню підвищує діфузію Li. Дослідники використовували DFT для копіювання енергетичного ландшафту для льодового хмелю, що призводить до відкриття нового скляного складу з провідністю, що перевищує 1 мС/см при кімнатній температурі.

Інтеграція DFT з експериментальними методами

Найбільш потужний підхід поєднує DFT з експериментами. DFT може інтерпретувати спектроскопічні дані (NMR, XPS, Raman) шляхом імітації спектрів з комп'ютерних структур. Попередження, експериментальні дані, що дієтичні моделі DFT. . Ця синергія зменшує необхідність в трудомістких експериментах з пробною та-error і дозволяє раціонально розробляти окуляри з індивідуальними властивостями.

Наприклад, у розробці радіаційно-стійкого скла для ядерної відходів, DFT було використано для відображення сотень модифікаторів, а лише найвищі кандидати синтезували та протестували. Такий підхід вирізняється часом розвитку на кілька місяців.

Виклики та обмеження ДФ для окуляри

Незважаючи на свою потужність, DFT має обмеження при нанесенні на окуляри. Стандартні функціональні функції (наприклад, LDA, GGA) можуть занижувати розриви смуг або не враховувати для взаємодії з вандером Waals, які можуть бути важливими в певних скляних системах. Більш розширені функції, такі як гібридні функції або DFT + U доступні, але вимагають більшого обчислювального ресурсів.

Ще одним завданням є скінченний розмір імітаційних клітин, які не можуть захоплення структурної гетерогенності, присутніх в реальних келихах. Крім того, DFT є наземним методом, тому вивчення температурно-залежні властивості (наприклад, в'язкість) вимагає згортання з молекулярною динамією або Монте-Карло-технікою.

Майбутні напрямки

Майбутнє DFT у скляній наукі є яскравим, керованим завчасно в алгоритмах та обчислювальних апаратах. Можливі машинні навчання, що навчаються на даних DFT, тепер дозволяють моделювання мільйонів атомів з точністю близько-DFT. Це дозволить дослідження структурного релаксу, перелому та іонного транспорту, по довжині, відповідних реальним приладам.

Крім того, розробка automated DFT робочих процесів для високопродуктивного скринінгу подається для прискорення відкриття нових скляних композицій. Комбінований з робототехнікою та автоматизованими експериментами, дизайн скла DFT може стати рутинним в промисловому R&D.

Висновок

Функціональна теорія щільності трансформувала наше розуміння нових скляних матеріалів, що забезпечують атомно-масштабні уявлення, які доповнюють та направляють експериментальні зусилля. Від прогнозування атомних аранжувань та електронних властивостей для прискорення відкриття високопродуктивних скляних окулярів для енергії, оптики та біомедицини, DFT є незамінним інструментом в сучасних матеріалах науки. Як обчислювальні методи продовжують розвиватися, синергія між DFT і експеримент розблокувати буде більш складними скляними матеріалами з властивостями, які пристосовані для задоволення технологічних завдань завтра.

Для тих, хто цікавиться глибше, Materials Сьогодні стаття про абіціологічне моделювання аморфних твердих тіл пропонує комплексний огляд техніки та додатків. Дослідники, які шукають застосування DFT на власні скляні системи, можуть початися з відкритих кодів, таких як Quantum ESPRESSO, VASP або CP2K.