Schválené projekty 2015

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2015

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 52 908 039 Kč

Z toho 2.5% - 1 320 739 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v Kč
FBI  1 172 500
EKF  4 962 700
FAST  3 070 000
FS  8 256 000
FEI 12 282 100
HGF  5 433 000
FMMI  6 188 000
VC 10 223 000
CELKEM 51 587 300
KódSP2015/71
Název projektu Výpočty elektronové struktury a mřížkových vibrací materiálů s tetragonální strukturou
ŘešitelLegut Dominik Ing., Ph.D.
Školitel projektuIng. Dominik Legut, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2015 - 31.12.2015
Předmět výzkumuTento projekt se zabývá získáním materiálových charakteristik na základě výpočtů elektronové struktury [1] daných (viz. níže) materiálů. Jedná se zejména o tyto:
a) termodynamickou stabilitu čistých a dopovaných fází.
b) určení koeficientu objemové teplotní roztažnosti
c) vytvoření fázového diagramu, tj. volné energie za teploty a tlaku
d) určení fononových disperzních relací (spekter) vybraných fází

Klademe si za cíl rozšířit výpočty elektronové struktury o studium vibrací mřížek a tyto postupy zvládnout a aplikovat pro fáze s tetragonální symetrií pomocí tzv. přímé metody[2].

Budeme se zabývat těmito třídami materiálů:
1. precipitáty v Cr-ocelích, tzv. Z-fáze v systémech (Cr,Mo,V,Fe)-(Mo,Nb)N
2. titanáty, např. se strukturou anatasu, brookitu, a analogů branneritu
3. různými fázemi karbidu uranu, např. UC2

Studiem stability precipitátů, tzv. Z-fází, v ocelích se zvýšeným obsahem Cr tvořenými Cr-Nb-V nitridy jsme se zabývali v naší úvodní studii [3], kde jsme rovněž určili mechanické vlastnosti těchto fází [3]. Tyto Z-fáze, stoji za křehnutím a degradací těchto chromových ocelí [4,3], které původně měli v turbínách nahradit klasické oceli v důsledku vyšší operační teploty. Naše úvodní studie [3] je však limitována pro teploty blízké absolutní nule. Pokud zahrneme i energetické příspěvky nulových kmitů, tj. vibrací atomové mříže pro T=0K, můžeme získat chovaní volné energie v rámci harmonické aproximace i pro teploty nad 300K. Kvazi-harmonická metoda [5] nám dále umožní získat koeficient teplotní roztažnosti a tudíž i mechanické a termodynamické chování Z-fází za vyšších teplot. Tímto projektem chceme rozšířit naše znalosti na
nově objevené Z-fáze v systémech Fe-Mo, tak na strukturně podobné systémy anatasu, brookitu [6] a pro fáze v systému U-C [7], které často vykazují anomálie teplotní roztažnosti. Na výsledky májí vliv výměnné a korelační efekty elektronů. Je tedy nezbytné najít vhodné modely výpočtu elektronové struktury, se kterými budeme schopni spolehlivě popsat jak akustické tak optické kmity atomových vibrací. Rovněž budeme studovat vliv spin-orbitální interakce a velikost Coulombové interakce na fononové disperzní relace. Pro tyto náročné výpočty elektronové struktury a zejména pro získání tzv. Hellman-Feyman sil k určení atomových vibrací a energii nulových kmitů (výpočty fononů) použijeme Vienna ab initio simulation package [7].


Členové řešitelského týmu:

Bc. Andrii Titov, USP VŠB-TUO (magisterský program)
Bc. Barbora Kacerovská, USP VŠB-TUO (bakalářský program)
Lukáš Sojka, USP VŠB-TUO (bakalářský program)
Ing. Dominik Legut, Ph.D. (školitel, řešitel, garant)

Přestože řešitelský tým je velmi mladý, již prokázal jisté dovednosti ohledně prvoprincipiálních výpočtů elektronové struktury a zaslal k opublikování některé dosažené výsledky:

1. D. Legut, L. Sojka, B. Kacerovská, L. Matějová, Research on Chemical Intermediates (zasláno říjen 2014)
2. Ž. Chromčáková; L. Obalova, F. Kovanda; D. Legut, A. Titov, S. Michalik; P. Kuśtrowski; K. Jirátová, Effect of precursor synthesis on catalytic activity of Co3O4 in N2O decomposition, Catalysis Today (zasláno listopad 2014)

V souvislosti s projektem samotný navrhovatel se již zabýval uvedenými či podobnými fázemi, např. v publikacích:

1. Y. Yun, D. Legut and P. M. Oppeneer: Phonon spectrum, heat capacity, and thermal expansion of UO2 from first-principles, J. Nucl. Mat. 426, 109 (2012).

2. D. Legut and J. Pavlu: Electronic structure and elasticity of Z-phases in the Cr-Nb-V-N system, J. Phys. Condens. Matter. 24, 195502 (2012).

3. D. Legut and U. D. Wdowik:Vibrational properties and the stability of the KCuF3 phases,J. Phys. Condens. Matter. 25, 115404 (2013).

Impakt navrhovaného projektu spočívá v:

i) objasnění mechanických vlastností (zejména díky výpočtených koeficientům teplotní roztažnosti) tetragonálních Z-fází za operačních teplot v chromových ocelích, což povede k odstranění či minimalizace efektů stárnutí a křehnutí těchto ocelí.

ii) Pochopení efektu negativní teplotní roztažnosti v U-C systémech povede k pokročilejšímu designu materiálů pro jaderné reaktor IV generace.

iii) Posouzení stability dopovaných titanátů s tetragonální strukturou umožňuje zvýšit efektivitu katalytických procesů pro komeřční využití.

Využití infrastruktury high-performance computing, klastr Anselm (IT4Innovations):

Navrhovatel má bohaté zkušenosti s využitím výpočtových zdrojů klastru Anselm v rámci IT4Innovations Centra. V prvních 8 interních výzvách získal téměř 6 mil. corehours. V rámci získaného výpočtového času v posledních 4 výzvách se studenti L. Sojka, B. Kacerovská, a A. Titov naučili rutinně tento klastr využívat pro výpočty elektronové struktury a to zejména pseudopotenciálový kód VASP (FORTRAN F90). Tento kód bude rovněž využíván pro cíle tohoto projektu zejména pro jeho výhodu počítat atomových sil a zároveň patří mezi jeden z nejrychlejších ab initio kódů. Samotné vibrace atomové mříže, termodynamické veličiny, teplotní roztažnost aj. se budou získávat a analyzovat pomocí programu PHONOPY [5] (pythonu) a to na lokálních počítačích, pro snadnější obsluhu popřípadě doprogramování určitých podprogramů, např. Debye model atd.


Reference:
1. P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
2. K. Parlinski, Z. Q. Li, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. Lett. 78, 4063 (1997).
3. D. Legut and J. Pavlu, J. Phys. Condens. Matter. 24, 195502 (2012).
4. H. K. Danielsen and J. Hald, Energy Mater. 1, 49 (2006).
5. A. Togo, L. Chaput, I. Tanaka, G. Hug, Phys. Rev. B, 81, 174301-1-6 (2010).
6. D. O. Scanlon et al., Nature Mater. 12, 798 (2013).
7. G. Kresse, J. Furthmueller, J. Comput. Mater. Sci. 6, 15 (1996).

Členové řešitelského týmuIng. Barbora Kacerovská
Ing. Dominik Legut, Ph.D.
Ing. Dominik Legut, Ph.D.
Bc. Lukáš Sojka
Ing. Andrii Titov
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cílem projektu je určení koeficientu teplotní roztažnosti několika precipitátů v Cr-ocelích a materiálů pro moderní nukleární palivo s tetragonální strukturou (UC2). Dále vlivu dopování Ce na elektronovou strukturu tetragonálních struktur titanátů a jejich termodynamickou stabilitu.

Časový harmonogram:

k červeneci 2015
-určení dynamické stability a teplotní roztažnosti Z-fází CrNbN, CrVNbN, CrVN
-výpočty elektronové struktury a stability Ce v anatasu a brookitu
-výpočty fononových disperzních relací v systémech U-C včetně spin-orbitální interakce a několika metodami výměnných a korelačních členů

k prosinci 2015
-dynamická stabilita a teplotní roztažnost v systémech (Cr,Mo,V,Fe)-(Mo,Nb)N
-termodynamicka stabilita a určení koncentrace Ce v anatasu, brookitu, branneritových fází titanátů
-dynamická stabilita a elektronová struktura dalších fází systému U-C, např. UC2 včetně koeficientu teplotní roztažnosti

Plánované výstupy a výsledky z projektu

1.výsledky projektu budou zahrnuty do bakalářské práce B. Kacerovské a L. Sojky

2. Publikace dosažených výsledků v manuskriptech zaslaných do mezinárodních časopisů s impakt faktorem.

3. Získané výsledky budou prezentovány na mezinárodních konferencích, např. DPG 2015 Spring Meeting v Berlíně, březen 2015, která je největší konferencí fyziky pevné fáze s největší účasti komunity zabývající se ab initio výpočty. Dále je tato konference velmi vhodná pro studenty, neboť jejich příspěvky tvoří velkou část příspěvků. Dále výsledky budou prezentovány na konferernci PSI-K 2015, San Sebastian, Španělsko (září 2015). Tato konference věnováná jenom ab initio výpočtům se koná jednou za 5 let. Rovněž budou výsledky šířenyv rámci seminářů, popř. konferencích na VŠB-TUO, např. NanoOstrava.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia20000,-13000,-
3. Materiálové náklady5000,-3211,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek6000,-1599,-
5. Služby21000,-5445,-
6. Cestovní náhrady56000,-84745,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory12000,-12000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady120000,-
Uznané náklady120000,-
Celkem běžné finanční prostředky120000,-120000,-