Náplň a cíle projektu

Projekt Feroické multifunkcionality (akronymem FerrMion) si klade za cíl posílit aplikačně orientovaný špičkový výzkum v oblasti chytrých materiálů a kompozitů v České republice, a to výzkumem nových funkčních vlastností plynoucích z feroických a multiferoických jevů a hledáním nových konceptů uplatnění těchto funkcionalit v praxi.

Feroika jsou materiály, ve kterých fázovou transformací vzniká reorientovatelná doménová mikrostruktura, přičemž doménami mohou být oblasti se spontánně orientovanou deformací (ve feroelastikách), magnetizací (ve feromagnetikách) nebo elektrickou polarizací (ve feroelektrikách). Funkční vlastnosti feroických materiálů jsou však daleko širší, než by odpovídalo pouhé reorientaci doménové mikrostruktury. Fázové přechody mezi feroickými a neferoickými krystalovými strukturami jsou doprovázeny pohlcením, resp. uvolněním latentního tepla, které lze rovněž řídit vnějšími stimuly. Nestabilita krystalové mřížky v blízkosti doménových stěn nebo v okolí transformačních teplot může vést k anomálním elastickým, magnetickým nebo elektrickým vlastnostem. Kromě toho existují multiferoické materiály, ve kterých se spojují dva nebo více feroických jevů, následkem čehož jsou vlastnosti spojené s kalorickými efekty či nestabilitou mřížky mnohem složitější. Kombinací doménových struktur, kalorických jevů, nestability mřížky a multiferoičnosti získáváme velmi široké spektrum funkčních vlastností, které lze společně nazvat jako feroické multifunkcionality; odtud název projektu.

Multifunkcionalita feroických materiálů skýtá pozoruhodný aplikační potenciál. Jejich aktivní reakce na změnu teploty nebo magnetické pole nachází uplatnění v dálkově ovládaných mechanických mikromanipulátorech, které se využívají například v lékařství jako (vnitro)tělní mikropumpy. Kalorické chování feroik otevírá možnosti jejich využití pro bezhlučné pevnolátkové chlazení nebo pro vytěžování odpadní energie (energy harvesting). Unikátní elastické vlastnosti plynoucí z mřížkové nestability umožňují vývoj slitin s napěťově-deformační odezvou blízkou odezvě lidské kosti, což je klíčová vlastnost pro kloubní náhrady nové generace. Polarizační jevy vyvolané nestabilitou mřížky mohou významně zlepšit piezoelektrické chování keramických materiálů, které se využívají např. v čidlech airbagů, pro zapalovače plynů nebo v ultrazvukových lékařských přístrojích. Je zřejmé, že část aplikačního potenciálu feroik a multiferoik zůstává dosud neobjasněna a mnoho jejich vlastností nedávno objevených v laboratořích dosud nenašlo uplatnění v praxi.

Proto je jádrem projektu FerrMion zkoumání unikátních funkčních vlastností feroických a multiferoických materiálů, z nichž většinu představují kovové materiály (slitiny s tvarovou pamětí a magnetické martenzity), a také dielektrika a kompozity, a to až do úrovně nanokompozitů. Cílem je nalezení teoretického popisu, který umožní provázat chování kovových a nekovových, případně kompozitních (multi-)feroik, a využití tohoto popisu pro design aplikací. Zatímco u běžných konvenčních materiálů lze numerické simulace chápat jako nástroje propojující vlastnostmi materiálu a konkrétní cílené aplikace, komplexnost funkčního chování feroik vyžaduje nové postupy při návrhu aplikací, včetně vývoje zcela nových přístupů v modelování.

Splnění cílů projektu dosáhne řešitelský tým prostřednictvím čtyřech vzájemně souvisejících výzkumných záměrů (VZ):

VZ1 – Multiškálový popis a mikrostrukturní inženýrství

V rámci prvního výzkumného záměru se buduje platforma pro pokročilou experimentální charakterizaci mikrostruktur ve feroických materiálech. Platforma se sestává z kombinace pokročilých mikroskopických a difrakčních technik, doplněných o metody laserově-ultrazvukové charakterizace a 3D tomografie s atomární sondou (3D APT). Posledně jmenované zařízení bude prvním svého druhu ve střední a východní Evropě a umožní unikátní vhled do chemického složení v nanoměřítku a interpretaci jevů spojených s uspořádaností mřížky ve feroikách. Součástí výzkumného úkolu je studium širokého spektra mikrostruktur, od těch, které spontánně vznikají v důsledku vnějších podnětů nebo tepelného zpracování, až po ty specificky navržené s cílem kontrolovat funkční vlastnosti. Cílené mikrostruktury se využijí zejména pro slitiny titanu, zirkonia a vysoce entropické slitiny se zvýšenou tvárností v důsledku feroických jevů, ale také pro „bottom-up“ feroické nanokompozity vyvíjené pro multiferoické tenké vrstvy a Li-ion baterie nové generace. Mikrostrukturní jevy pozorované v těchto materiálech (a také v materiálech vyvinutých v rámci jiných výzkumných záměrů) budou diskutovány z hlediska matematické teorie feroických mikrostruktur s cílem nalézt a objasnit sjednocující koncepty napříč prostorovými škálami a různými jevy. Očekávanými výstupy výzkumného záměru jsou nově vyvinuté pevné, ale tvárné slitiny, kompozity na bázi nanočástic s navrženými multiferoickými funkcionalitami a nové poznatky vysvětlující vztahy mezi nanoškálovou chemickou a strukturní heterogenitou v multiferoikách a jejich makroskopickou funkční odezvou.

VZ2 – Multiferoika a spřažené systémy

Předmětem druhého výzkumného záměru je studium nejnovější generace multiferoických materiálů se záměrem objevit nové funkční vlastnosti a identifikovat jejich potenciál pro technologické aplikace. Předmětem zkoumání jsou dvě hlavní skupiny materiálů. První skupinou jsou dielektrická multiferoika a multiferoické heterostruktury, včetně dvoudimenzionálních sendvičových materiálů a uměle vytvořených vrstevnatých supermřížek; nové multikalorické jevy těchto materiálů budou základem pro návrh pevnolátkových chladicích a tepelnou energii využívajících aplikací. Druhá skupina obsahuje Heuslerovy feromagnetické martenzitické materiály a heterostruktury Heuslerových slitin, cílící na magneticky ovládané mikromanipulátory a magnetokalorická chladicí zařízení. Prvotřídní odbornost týmu je základem návrhů nových konceptů pro získání kontroly nad feroickými doménovými mikrostrukturami, jako je architektura uspořádání dvojčat v martenzitech pro optimalizovaný magnetomechanický výkon nebo vytváření doménových superkrystalů ve feroelektrikách. Klíčovou součástí výzkumného záměru je teoretický výzkum multiferoických jevů pomocí rozsáhlých výpočtů z prvotních principů (ab-initio) vyžadujících superpočítače. Očekáváme, že pokročilá ab-initio analýza vysvětlí účinky legování, nestechiometrie a defektů mřížky a přispěje k objevům nových materiálových systémů. Výstupy výzkumného záměru budou nové koncepty aplikací multiferoických materiálů, nově vyvinuté multiferoické materiály s inženýrsky navrženou doménovou architekturou a významný pokrok ve výzkumu multiferoických jevů prostřednictvím prvních principů na (super)počítačích.

VZ3 – Termodynamika a design aplikací pomocí FEM

Třetí výzkumný záměr se zaměřuje na vývoj nových konceptů matematického a numerického modelování feroických jevů na úrovni termodynamického popisu mechaniky kontinua, a jejich další využití pro návrh perspektivních technologií a aplikací. Tým využívá svých špičkových odborných znalostí v oblasti parciálních diferenciálních rovnic a variačního počtu k vytvoření nového přístupu k modelování feroik. Nový přístup se využívá k vytvoření softwarově implementovaných modelů dostupných průmyslovému výzkumu a vývoji, které umožní přesné simulace funkčního chování feroelastických produktů. Současně vyvíjíme specializované experimentální protokoly, které poskytnou vstupní materiálová data pro tyto softwarové nástroje. Zkušenosti týmu s implementací komplexních úloh mechaniky, termodynamiky a interakcí kapalin a pevných látek na bázi metody konečných prvků (MKP) povedou nejen k vývoji robustních zobecněných modelů, ale také k významnému pokroku v souvisejících disciplínách aplikované matematiky a počítačových věd. Očekávaným výstupem je strukturní design patentovatelných aplikačních konceptů – autonomních aktuátorů ze slitin s tvarovou pamětí, peristaltických mikropump, fluidních mikromixérů na bázi feroik, feroických tepelných výměníků, architekturovaných biomimetických protéz využívajících nestability mřížky spojenou s fázovými přechody.

VZ4 – K novým technologiím

Cílem čtvrtého z výzkumných záměrů je vývoj nových metod přípravy feroických materiálů komplexních tvarů s mikrostrukturou optimalizovanou pro konkrétní aplikace. K tomu využíváme techniky založené na práškové metalurgii včetně 3D tisku a nejmodernější metody tepelného a mechanického zpracování umožňující řiditelně měnit mikrostrukturu materiálů. Rovněž používáme metody využívající urychlených svazků částic, a to jak pro modifikaci feroických materiálů, tak pro výrobu feroických nanokompozitů. Výzkum se zabývá všemi úrovněmi a fázemi výrobního procesu, od charakterizace a optimalizace vstupních prášků a nanočástic až po návrh výrobních protokolů pro díly určené pro konkrétní aplikace. Vysoce aktuální téma vývoje nových výrobních technologií ve spojení s výzkumným týmem složeným z předních odborníků zejména v oblastech slitin s tvarovou pamětí (SMA), pokročilých biologicky degradabilních kovových materiálů a aplikací metod iontové implantace dává předpoklady k dosažení unikátních výsledků ve světovém měřítku. Projekt zkoumá složitý vztah mezi obecným tvarem vyráběných dílů, mikrostrukturou a výsledným funkčním chováním. Očekáváme vznik 3D tištěných výrobků optimalizovaných pro konkrétní aplikace. Vstupními materiály jsou slitiny s tvarovou pamětí na bázi NiTi a NiMn, vysoko-entropické slitiny (HEA) a kompozity na bázi biologicky degradabilních slitin v kombinaci s feroelastiky. Vyvíjíme metodiky pro modifikaci a řízení mikrostruktur v těchto materiálech, založené na různých principech od precipitačního zpevnění až po řízené radiační poškození. Výzkumný záměr zároveň slouží jako zdroj materiálů a základna výrobních technologií pro celý projekt.