Grand Challenge: Pienten ja suurten kraatterien muodostuminen kulta- ja piidioksidipinnoilla

12.03.2010

Juha Samelan ja Kai Nordlundin (Helsingin yliopisto) Grand Challenge –projektissa tutkittiin nopeasti liikkuvien kultarypäiden iskeytymistä kultapinnalle ja argonrypäiden törmäyksiä piidioksidipinnalle sekä iskun voimasta syntyvien kraatterien muodostumisia. Tutkimuksessa käytettiin runsaasti CSC:n superlaskentaresursseja.

Tutkimus tehtiin simuloimalla atomien liikettä törmäyksen aikana. Näin saatiin kuva millaisista atomien välistä vuorovaikutuksista syntyvät jopa miljoonia atomeja käsittävät rakenteelliset muutokset kuten kraatterien synty ja aineen siirtymät. Sekä pienten että isojen atomirypäiden törmäyksissä muodostuu muodoltaan samankaltaisia kraattereita, mutta niiden syntymekanismi on merkittävästi erilainen.

Makroskooppisissa (isojen atomirypäiden) törmäyksissä atomiryväs ja sen "alle" jäänyt törmäyskohdan aine puristuvat ensin hyvin pieneen tilavuuteen. Seuraavassa vaiheessa tämä tihentymä laajenee räjähdysmäisesti, jolloin muodostuu puolipallon muotoinen kraatteri. Koska törmäysenergia on varastoitunut tihentymään, on syntyvän kraatterin koko suoraan verrannollinen energian määrään, mikä puolestaan on verrannollinen atomirypään kokoon.

Pienten atomirypäiden atomit sen sijaan tunkeutuvat kohtion atomien väliin ja mitään oleellista tihentymää ei muodostu. Törmäyksen liike-energia jakaantuu kohtion atomeille, jotka edelleen törmäilevät toisiinsa. Törmäysalueella aine muuttuu neste- tai kaasumaiseksi ja irtoaa kohtiosta ja jättävät jälkeensä kraatterin. Näin ollen sekä pienten että isojen atomiryppäiden törmäyksissä muodostuu muodoltaan samankaltaisia kraattereita, mutta niiden syntymekanismi on merkittävästi erilainen. Kokeellisesti tämä voidaan todeta siitä, että kraatterien tilavuuden skaalautuvat eri tavalla törmäävien atomirypäiden kokoon tai nopeuteen nähden.

Törmäävien argon- ja kultaklustereiden koot vaihtelivat noin tuhannesta atomista yli 100000 atomiin. Ne osuivat pintaan kohtisuoraan noin 20 km/s nopeudella. Nopeus on samaa suuruusluokkaa kuin mikrometeorien nopeus avaruudessa. Törmäyskohtien koon on oltava riittävä, jotta törmäyksen vaikutuksesta syntyvät sokkiaallot eivät välittömästi heijastuisi reunoista takaisin ja vaikuttaisi siten häiritsevästi simuloinnin tuloksiin. Tutkimuksessa käytettiin kohtioita, joiden koko oli yli sata miljoonaa atomia ja pinnan laajuus 15x15 nanometriä. Juuri tämä kohtion kokovaatimus aiheuttaa sen, että simulointeihin tarvitaan runsaasti tietokonekapasiteettia.

Tutkimuksessa kasvatettiin törmäävän atomirypään kokoa ja selvitettiin missä kokoluokassa törmäysmekaniikka vaihtuu makroskooppisen kappaleen törmäykseksi. Kullan tapauksessa siirtymä makroskooppiseen törmäyskäyttäytymiseen tapahtuu, kun törmäävän atomirypään koko kasvaa noin 10000 atomiin.

Riittävän ison argon-rypään törmätessä piidioksidiin havaitaan simuloinneissa myös tiivistymä atomirypään edellä sen tukeutuessa piidioksidiin. Piidioksidin tiheys on kuitenkin pienempi kuin kullan ja argon-atomit ovat kevyempiä kuin kulta-atomit. Tästä seuraa, että tihentymä ei ole niin tiivis kuin kultatörmäyksissä ja sen energia vapautuu enemmän pinnan ulkopuolelle kuin aineen sisälle. Tuloksena on lähes makroskooppinen kraatterin koon skaalautuminen, mutta mikroskoopista skaalautumista on jossain määrin havaittavissa vielä yli 100000 atomin klusterien tapauksessa. Siirtymä makroskooppiseen törmäyskäyttäytymiseen tapahtuu näin ollen loivemmin kuin kullan tapauksessa.

Tutkimuksessa selvitettiin edelleen aiheuttaako voimakas törmäys piidioksidiin murtumia, onhan piidioksidi hauras aine. Murtumia ei simuloinneissa havaittu. Tämä saattaa johtua myös siitä, että vuorovaikutuksia kuvaavat amorfisen aineen mallit eivät tuota todellisuutta vastaavaa murtumiskäyttäytymistä.

Computational Grand Challenge -projektit ovat huipputasoista tutkimusta, jossa tarvitaan huomattavan suurta laskenta- tai dataresurssikiintiötä tai palvelutasoa. CSC perustaa kullekin GC-projektille tukiryhmän ja GC-projektit valitaan kahdesti vuodessa järjestettävän haun perusteella.

Julkaisuja:

K. Nordlund, T.T. Järvi, K. Meinander1 and J. Samela: Cluster ion-solid interactions from meV to MeV energies. Appl. Phys. A, 91, 561-566 (2008)

J. Samela and K. Nordlund: Atomistic Simulation of the Transition from Atomistic to Macroscopic Cratering. Phys. Rev. Lett. 101, 027601 (2008)

J. Samela and K. Nordlund; Transition from Atomistic to Macroscopic Cluster Stopping in Au. Nucl. Instr. Methd. B, 267 (2009) 2980-2986

J. Samela and K. Nordlund: Classical molecular dynamics simulations of hypervelocity nanoparticle impacts on amorphous silica. Phys. Rev. B volume 81, issue 5 (2010)

Lisätietoja:

Tommi Kutilainen: Kraatterin muodostuminen atomi atomilta. Tieteen tietotekniikka 1/2010.

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetusministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.