Aalto-yliopiston tekniikan korkeakoulujen juhlallinen tohtoripromootio 2012

Mallinnusmenetelmä antaa uutta tietoa materiaalien jähmettymisestä

15.10.2012

Akusti Jaatinen väitteli vuoden 2010 joulukuussa materiaalien mallintamisesta faasikenttäkidemalleilla (Phase Field Crystal, PFC). Hänet promovoitiin perjantaina 12.10.2012 juhlallisessa Aalto-yliopiston tekniikan tohtoripromootiossa.

 - Faasikenttäkidemalli on materiaalitieteen uusi laskennallinen mallinnusmenetelmä, Jaatinen kertoo. - Sen avulla voidaan tehokkaasti  mallintaa prosesseja, jotka tapahtuvat atomistisella mittakaavalla ja diffusiivisella aikaskaalalla.

Uutta mallinnusmenetelmää voidaan käyttää mm. bulkkimateriaalien ominaisuuksien ymmärtämiseen perinteisessä metalliteollisuudessa – toisaalta myös erilaisten nanorakenteiden ja kalvojen ominaisuuksien tutkimiseen

- Halusin lähteä tutkimaan jotain aidosti uutta ja mahdollisesti mullistavaa lähestymistapaa tuttuihin ongelmiin, jotka liittyivät metallien jähmettymiseen, muokkaukseen ja ominaisuuksiin, hän kertoo.

- Omalla tavallaan aiheen valintaan motivoivat  myös materiaalitekniikan professorien vakuuttelut, kuinka sitä ja sitä ominaisuutta ei voi laskea mistään teoriasta, vaan ne pitää aina kokeellisesti määrittää. Halusin näyttää heille, että kyllä voi.

 Väitöskirjatyössä on sekä kehitetty PFC-mallin metodologiaa että sovellettu sitä jähmettymisen ja raerajojen mallintamiseen. Jaatinen kertoo, että työ eteni aluksi kahtiajakoisesti.

- Diplomityössäni osoitin, että mallissa on tiettyjä ongelmia, joiden takia se ei sellaisenaan sovellu tarkkaan materiaalien mallintamiseen.

Tätä tulosta pidettiin tärkeänä

- Olin itsekin siihen tyytyväinen. Tavallaan. Toisaalta jouduin myös jonkin aikaa aprikoimaan sitä, miten kannattaisi edetä mallin kanssa. Pari ensimmäistä jatko-opintojen vuotta menikin teorioita ja

laskentamenetelmiä opiskellessa - ja päätä raapiessa -, mutta kun oivalsin tavan, millä PFC-mallin ja tiheysfunktionaaliteorian hyvät puolet yhdistetään, syntyivät loput paperit todella luontevasti, Jaatinen muistelee.

Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun teknillisen fysiikan laitoksella, professori Tapio Ala-Nissilän johtamassa tilastollisen fysiikan tutkimusryhmässä saman mallin parissa työskenteli myös romanialainen Cristian Achim.

   - Meillä oli selkeä roolijako: olin itse enemmän teoriaan painottunut; Cristian taas osasi ohjelmoinnin ja numeriikan paljon minua paremmin. Opimme siis toisiltamme paljon. Ryhmämme muut jäsenet työskentelivät muiden ongelmien parissa, mutta myös heidän kanssa käydyistä keskusteluista koen oppineeni paljon yleisemmin fysiikasta - ja ehkä myös elämästä.

Edistystä PFC-mallinnukseen

Työssä esitettiin PFC-mallin alkuperäiselle muodolle laajennettu faasidiagrammi, jonka avulla mallia voidaan soveltaa tiivispakkauksellisen kuutiollisen ja heksagonaalisen hilarakenteen mallintamiseen. Kiinteillä metalleilla on eri hilarakenteita, jotka kertovat siitä, millä tavalla atomit on toistensa suhteen järjestäytyneet. Yleisimmät kolme ovat tiivispakkauksellinen (tai pintakeskeinen) kuutiollinen, tiivispakkauksellinen heksagonaalinen ja tilakeskeinen kuutiollinen.

- Luonnossa riippuu materiaalista mihin kiderakenteeseen sillä on taipumusta jähmettyä, Jaatinen tarkentaa.

  - Esimerkiksi rauta jähmettyy tilakeskeiseen kuutiolliseen hilaan; kupari taas pintakeskeiseen kuutiolliseen. Tässä mallissa alun perin luultiin, että alkuperäisen PFC-mallin "materiaali" haluaisi aina ja kaikissa olosuhteissa jähmettyä tilakeskeiseksi kuutiolliseksi. Osoitin, että tietyissä olosuhteissa sepä voidaankin saada jähmettymään myös näihin pintakeskeiseen kuutiolliseen tai tiivispakkaukselliseen heksagonaaliseen hilamuotoon.

Työssä esitettiin PFC-mallista myös laajennettu versio, joka perustuu PFC-mallin aiempiin muotoihin sekä sitä fundamentaalisempaan klassilliseen tiheysfunktionaaliteoriaan.Työssä osoitettiin,  että  uusi malli pystyy toistamaan tiettyjä tiheysfunktionaaliteorian staattisia ja

dynaamisia ominaisuuksia huomattavasti paremmalla tarkkuudella kuin aiemmin esitellyt PFC-mallit - uhraamatta silti alkuperäisen PFC-mallin numeerista tehokkuutta.

-Tällä on suuri merkitys, jos halutaan PFC-mallin avulla selvittää, miten jokin todellinen materiaali, esimerkiksi rauta, käyttäytyy tietyissä olosuhteissa. Siis ei jokin saman hilarakenteen, mutta muuten mitä sattuu ominaisuuksia omaava epämääräinen mömmö, vaan rauta, Jaatinen korostaa.

Numeerisen tehokkuuden säilyttäminen on myös tässä laajennuksessa olennaista.

 - Tarkkuutta saadaan lisää, mutta laskenta-ajassa ei hävitä käytännössä mitään.

Halu vaikuttaa motivoi realistista tutkijaa. Akusti Jaatinen piti väitöskirjatyössä antoisimpana työskentelyä uuden tiedon parissa.

-  Parasta oli  kun sai miettiä asioita pintaa syvemmältä; olla tekemässä uutta tietoa.

Tällä hetkellä Jaatinen työskentelee Outotecin palveluksessa prosessisuunnittelijana.

- Nykyisessä työssä en keskity hiomaan yhtä minimaaliseen pientä yksityiskohtaa, vaan saan olla hahmottelemassa laajoja kokonaisuuksia. Koen, että pääsen näin vaikuttamaan isoihinkin hankkeisiin. Ehkä tässä työssä voin myös hitusen vaikuttaa siihen, mihin suuntaan maailman,

ympäristön ja ilmakehän tila jatkossa kehittyy: jos ei nyt sentään kestävään, niin edes vähän vähemmän katastrofaalisen epäkestävään suuntaan, Akusti Jaatinen toteaa.

 

 

Teksti: Leena Jokiranta

Takaisin

Bookmark and Share