Pattern formation in far-from equilibrium systems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
115959
Type K
Principal investigator Gránásy, László
Title in Hungarian Mintázatképződés egyensúlytól távoli rendszerekben
Title in English Pattern formation in far-from equilibrium systems
Keywords in Hungarian mintázatok, fázismező elmélet, sűrűség funkcionál elmélet, nukleáció, növekedés
Keywords in English patterns, phase-field theory, density functional theory, nucleation, growth
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Natural Sciences Committee Chairs
Department or equivalent Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Iglói, Ferenc
Korbuly, Bálint
Kovács, István
Podmaniczky, Frigyes
Pusztai, Tamás
Rátkai, László
Tegze, György
Tóth, Gyula
Starting date 2016-01-01
Closing date 2019-12-31
Funding (in million HUF) 30.996
FTE (full time equivalent) 12.81
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nanoskálán történő önszerveződés gyakran vezet összetett, több méretskálával jellemezhető mintázat kialakulására, melynél a nagyobb skálán megvalósuló szerkezet tulajdonságai és az építőelemek közti kapcsolat gyakran nem nyilvánvaló. Ilyen folyamatok alkalmasak lehetnek arra, hogy speciális célokra tervezett anyagokat hozzunk létre, amennyiben az önszerveződés folyamata szabályozható. Ehhez azonban a releváns folyamatok részletes ismeretére van szükség. A jelen pályázat célja, hogy klasszikus térelméleti modellekből (klasszikus részecskék sűrűség funkcionál elmélete, ill. lokálisan átlagolt rendparaméterrel dolgozó fázismező elmélet, stb.) kiindulva a modellezést kiterjesszük eddig még nem vizsgált önszervező folyamatokra. Az elméleti vizsgálathoz a problémák kiválasztását az alábbiak motiválták: a szerkezet legyen (i) összetett; (ii) érdekes mind tudományos, mind gyakorlati szempontból; (iii) tetszetős; (iv) jól reprezentálja az önszervező folyamatok sokféleségét; végül pedig, (v) hogy kezelésükhöz a rendelkezésre álló kontinuum elméletek kiterjesztésére/adaptációjára legyen szükség, meghaladva így az eddigi elméleteket. Az általunk választott problémák között az összetett kristálycsíra képződési folyamatok, a biomorf/biomimetikus kristályok aggregációja, a szferolitos növekedés kvantitatív modellezése, véges térben történő kristályosodás, valamint a fotoszintetizáló baktériumok mintázatképződése szerepel.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Munkahipotézisünk szerint a létező atomisztikus ill. lokálisan átlagolt térelméleti leírásokból kiindulva lehetséges olyan prediktív matematikai modellek kidolgozása, amelyek képesek a mintázatképződés folyamatának leírására olyan eddig nem látott bonyolultságú folyamatok esetében is, mint a heterogén csíraképződéssel létrejövő szerkezetek, a biomorf/biomimetikus rendszerek kialakulása kristály aggregációval, a szferolitos kristályosodás kvantitatív leírása, nanoskálájú erősen anizotóp eutektikus rendszerek képződése, és megszilárdulás korlátozott térben.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kidolgozandó modellek kiszélesítik azon anyagok körét, melyekre prediktív matematikai modellek állnak rendelkezésre, s így kiterjesztik a számítógépes anyatudomány és -anyagfizika alkalmazási körét. A várható eredmények olyan ipari szoftverek kifejlesztéséhez szolgáltatnak alapot, amelyek a tudásalapú anyagtervezést a bonyolult önszervező anyagok az eddiginél jóval szélesebb családjára teszik lehetővé. A tervezett munka összhangban van az Európai Tudományos Alapítvány Anyagtudományi és Mérnöki Expert 3 Munkacsoport (MatSEEC) "Metallurgia Európában - Megújulási Program 2012-2022-re" című tanulmány [1] ajánlásaival.

[1] http://www.esf.org/publications.html An ESF-MatSEEC Science Position Paper (05.07.2012)

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Technikai civilizációnk gerincét a kiemelkedő, speciális cél-orientált tulajdonságokkal rendelkező anyagok jelentik. A tudományos anyagtervezést olyan matematikai modellek teszik lehetővé, melyek képesek megjósolni az egyes anyagok viselkedését. A jelen pályázatban az önszervezésre képes olyan összetett anyagok létrejöttére kívánunk matematikai modelleket kidolgozni, amelyek tudományos és gyakorlati szempontból egyaránt érdekesek, mint pl. a biológiai szervezetekre hasonló (biomorf) kristály aggregátumok létrejötte, ill. az atomi méretskálán zajló kristályosodási folyamatok által meghatározott bonyolult kristályos morfológiák, az ún. szferolitok kialakulása, ill. a mintázott felületeken történő kristályosodás folyamata. Ezen szerkezetek némelyike az anyagtudományban, a biológiában, a biológiai minták/szervek /szervezetek fagyásával foglalkozó kriobiológiában, ásványtanban, de az orvostudományban is fontos szerepet játszik, így kialakulásuk megértése és pontos leírása több szempontból is kívánatos.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The nanoscale self-assembly often results in complex multi-scale patterns, where the link between the properties of the large-scale structure and the building blocks is not immediately straightforward. These could be used to engineer materials for specific uses provided that self-assembly can be controlled. A detailed understanding of the relevant processes is needed to achieve this. The present proposal is aimed at developing mathematical models based on classical density functional theory of classical particles and the phase field approach working with coarse grained order parameters that extend modeling to the description of different examples of crystalline self-assembly hitherto unaddressed. The selection of the specific problems is motivated by the requirements that (i) they should be complex, (ii) interesting both from scientific and application viewpoints, (iii) visually pleasing, (iv) exemplify the diversity of the pattern formation processes, and (v) their treatment needs a specific extension/adaptation of the existing continuum models, pushing theory beyond the present limits. The problems chosen incorporate, among others, complex nucleation processes, biomorph/biomimetic crystal aggregation, quantitative modeling of spherulitic solidification, nanoscale eutectics, solidification in confined space, and pattern formation by photosynthesizing bacteria.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The working hypothesis is that starting from the existing atomistic and coarse-grained field theoretic models it is possible to work out predictive mathematical models that are able to describe a variety of pattern formation processes of hitherto unseen complexity including heterogeneous nucleation processes, biomorph/biomimetic crystal aggregation, quantitative modeling of spherulitic solidification, formation of highly anisotropic eutectics on the nanoscale and solidification in confined space.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The models we plan to work out are expected to extend the range of materials, for which predictive mathematical models are available extending thus the domain of computational materials science and materials physics. The expected results should serve as a basis for industrial software development that enables knowledge based materials designing for a significantly extended class of complex self-organized substances. The planned work thus follows the lines described in the study “Metallurgy Europe – A Renaissance Programme for 2012-2022” [1] containing the recommendation of the Materials Science and Engineering Expert 3 Committee (MatSEEC) of the European Science Foundation.

[1] http://www.esf.org/publications.html An ESF-MatSEEC Science Position Paper (05.07.2012)

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
High performance materials tailored to specific applications represent the backbone of our technical civilization. Knowledge based designing of materials require mathematical models that are able to predict the behavior of substances. In the present proposal we plan to develop mathematical models that are able to describe the formation of complex self-organized materials that are interesting from both theoretical and practical viewpoints such as the crystal aggregates that mimic biological organisms (biomorph crystal aggregates), complex crystalline structures determined by atomic scale crystallization processes (e.g., spherulites) and crystallization processes on patterned surfaces.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Matematikai/statisztikus fizikai modelleket fejlesztettünk ki, ill. alkalmaztunk egyensúlytól távoli rendszerekben fázisátalakulás során zajló mintázatképződési folyamatok leírására. A tárgyalt jelenségek közt, -egyebek mellett -, a mélyen olvadáspontjuk alá hűtött folyadékokban, ill. erősen túltelített kolloid szuszpenziókban történő kristályosodás, a nanométer skálájú eutektikus szerkezetek képződése, biológiai kristályosodási folyamatok, fotoszintetizáló baktériumok önszerveződése, az olvadék áramlás és megszilárdulás kölcsönhatása, és a szuperszilárd állapottal, multi-határpontokkal, és felületi kritikus jelenségekhez kapcsolódó fázisátalakulások, valamint a komplex rendezetlen rendszerek fázisátmenetei szerepelnek. Az alkalmazott módszerek között a klasszikus részecskékre vonatkozó sűrűség funkcionál elmélet mellett a fázismező elmélet, Monte Carlo szimulációk, és a modern statisztikus fizika olyan módszerei szerepeltek, mint pl. az erős rendezetlenség melletti renormálás. Legfontosabb eredményeink: a fotoszintetizáló baktériumok önszerveződésének mélyebb megértése, az amorf prekurzor által segített kristálycsíra-kéződés strukturális aspektusainak tisztázása, valamint a nanoskálán történő anizotróp eutektikus megszilárdulás mélyebb megértése. A szuperszilárd és rendezetlen kvantum rendszerekbeli fázisátmenetek jellemzése szintén ide tartozik.
Results in English
We developed mathematical/statistical physical models that successfully describe pattern formation during phase transitions in complex far from equilibrium systems. The phenomena we addressed include crystallization in liquids cooled deeply below their melting points, crystalline aggregation in highly supersaturated colloid suspensions, formation of nanoscale eutectic structures, biological crystallization processes, self-organization of photosynthesizing bacteria, the effect of fluid flow on morphological transitions during casting, and phase transitions related to supersolid states, multi-junctions, surface criticality, and transformations in disordered systems. The applied models range from the density functional theory of classical particles, to various phase-field methods, Monte Carlo simulations, and the inventory of modern statistical physics, including the strong disorder renormalization group technique. The most important results are as follows: gaining improved understanding of the correlations in light emitting bacterium colonies, clarification of the structural aspects of amorphous precursor assisted crystal nucleation, a deeper understanding of the role of anisotropies in nanoscale eutectic solidification. Theoretical understanding of phase transitions in supersolid and disordered quantum system is also among the important results.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115959
Decision
Yes





 

List of publications

  
F. Podmaniczky, G.I. Tóth, G. Tegze, T. Pusztai, L. Gránásy: Phase-field crystal modeling of heteroepitaxy and exotic modes of crystal nucleation., J. Cryst. Growth 457, 32-37, published electronically in 2016, appeared in, 2017
F. Podmaniczky, G.I. Tóth, T. Pusztai, L. Gránásy: Investigating nucleation using the phase-field method, J. Ind. Inst. Sci. 96, (3) 161-177, 2016
B. Korbuly, T. Pusztai, G.I. Tóth, H. Hervé, M. Plapp, L. Gránásy: Orientation-field models for polycrystalline solidification: grain coarsening and complex growth forms, J. Cryst. Growth 457, 32-37; published electronically in 2016, appeared in, 2017
L. Gránásy, F. Podmaniczky, G.I. Tóth: Phase-field crystal modeling of nucleation including homogeneous and heterogeneous processes and growth front nucleation, Collection of Extended Abstracts, Frontiers in Solidification, TMS Annual Meeting, eds. W. Kurz, J. Dantzig, A. Karma, J. Hoyt (EPFL, Lausanne, Switzerland), pp. 23-26, 2016
J-Ch. Anglès d’Auriac, F. Iglói: Phase-transitions of the random bond Potts chain with long-range interactions, Phys. Rev. E 94, 062126, 2016
G.I. Tóth, T. Pusztai, B. Kvamme, L. Gránásy: A physically consistent multiphase-field theory of first order phase transitions, Collection of Extended Abstracts, Frontiers in Solidification, TMS Annual Meeting, eds. W. Kurz, J. Dantzig, A. Karma, J. Hoyt (EPFL, Lausanne, Switzerland), pp. 73-76, 2016
F. Podmaniczky, G.I. Tóth, G. Tegze, T. Pusztai, L. Gránásy: Phase-field crystal modeling of heteroepitaxy and exotic modes of crystal nucleation., J. Cryst. Growth 457, 32-37, published electronically in 2016, appeared in, 2017
B. Korbuly, T. Pusztai, G.I. Tóth, H. Hervé, M. Plapp, L. Gránásy: Orientation-field models for polycrystalline solidification: grain coarsening and complex growth forms, J. Cryst. Growth 457, 32-37; published electronically in 2016, appeared in, 2017
L. Rátkai, G.I. Tóth, L. Környei, T. Pusztai, L. Gránásy: Phase-field modeling of eutectic structures on the nanoscale: the effect of anisotropy., J. Mater. Sci. 52, (10) 5544-5558, 2017
F. Podmaniczky, G.I. Tóth, G. Tegze, L. Gránásy: Hydrodynamic theory of freezing: Nucleation and polycrystalline growth., Phys. Rev. E. 95, (5) 052801-1-8, 2017
B. Korbuly, T. Pusztai, H. Hervé, M. Plapp, M. Apel, L. Gránásy: Grain coarsening in two-dimensional phase-field models with an orientation field, Phys. Rev. E. 95, (5) 053303-1-12, 2017
B. Korbuly, M. Plapp, H. Hervé, J.A. Warren, L. Gránásy, T. Pusztai: Topological defects in two-dimensional orientation-field models for grain growth, Phys. Rev. E 96, 052802-1-16, 2017
F. Podmaniczky, G.I. Tóth, L. Gránásy: Nucleation and polycrystalline growth in a hydrodynamic theory of freezing, Proc. 6th Decennial Int. Conf. on Solidification Processing, ed. Z. Fan, Brunel University, London, pp. 22-25, ISBN – 978-1-908549-29-7, 2017
R. Juhász, I. A. Kovács, G. Roósz, F. Iglói: Entanglement between random and clean quantum spin chains, J. Phys. A: Math. Theor. 50, 324003-1-20, 2017
G. Roósz, Y.-C. Lin, F. Iglói: Critical quench dynamics of random quantum spin chains: Ultra-slow relaxation from initial order and delayed order from initial disorder, New J. Phys. 19, 023055-1-11, 2017
R. Juhász, F. Iglói: Mixed-order phase transition of the contact process near multiple junctions, Phys. Rev. E 95, 022109-1-8, 2017
R. Juhász, F. Iglói: Non-universal and anomalous critical behavior of the contact process near an extended defect, Phys. Rev. E 97, 012111-1-8, 2018
F. Podmaniczky, G.I. Tóth, G. Tegze, L. Gránásy: Hydrodynamic theory of freezing: Nucleation and polycrystalline growth, Phys. Rev. E. 95, (5) 052801-1-8, 2017
H. Henry, G. Tegze: Self-similarity and coarsening rate of a convecting bicontinuous phase separating mixture: Effect of the viscosity contrast, Phys. Rev. Fluids 3, 074306-1-9, 2018
V. Schoeppler, L. Gránásy, E. Reich, N. Poulsen, R. de Kloe, P. Cook, A. Rack, T. Pusztai, I. Zlotnikov: Biomineralization as a Paradigm of Directional Solidification: A Physical Model for Molluscan Shell Ultrastructural Morphogenesis, Advanced Materials 45, 1803855-1-8, 2018
B. Blass, H. Rieger, G. Roósz, F. Iglói: Quantum relaxation and metastability of lattice bosons with cavity-induced long-range interactions, Phys. Rev. Lett. 121, 095301-1-6, 2018
F. Iglói, I. A. Kovács: Transverse spin correlations of the random transverse-field Ising model, Phys. Rev. B 97, 094205-1-6, 2018
F. Iglói, C. Monthus: Strong disorder RG approach - a short review of recent developments, Eur. Phys. J. B 91, 290-1-25, 2018
F. Iglói, B. Blass, G. Roósz, H. Rieger: Quantum XX-model with competing short- and long-range interactions: Phases and phase transitions in and out of equilibrium, Phys. Rev. B 98, 184415-1-15, 2018
L. Gránásy, G.I. Tóth, J.A. Warren, F. Podmaniczky, G. Tegze, L. Rátkai, T. Pusztai: Phase-field modeling of crystal nucleation in undercooled liquids – A review, Prog. Mater. Sci. 106, art. no. 100569, (pp. 1-51), 2019
V. Schoeppler, R. Lemanis, E. Reich, T. Pusztai, L. Gránásy. I. Zlotnikov: Crystal growth kinetics as an architectural constraint on the evolution of molluscan shells, Proc. Nat. Acad. of Sci. (U.S.A.) 114, (41) art. no. 2019-07229RR, (pp. 1-10), 2019
G. Roósz, I. A. Kovács and F. Iglói: Entanglement entropy of random partitioning, Eur. Phys. J. B 93, art. no. 8 (pp. 1-8), 2020
H. Henry, G. Tegze: Kinetics of coarsening have dramatic effects on the microstructure: Self-similarity breakdown induced by viscosity contrast, Phys. Rev. E 100, art. no. 013116, (pp. 1-10), 2019
P. Lajkó, J.-Ch. Anglés d’Auriac, H. Rieger, F. Iglói: Reentrant Random Quantum Ising Antiferromagnet, Phys. Rev. B, accepted for publication; https://arxiv.org/abs/1912.06035, 2020
L. Rátkai, T. Pusztai, L. Gránásy: Phase-field lattice Boltzmann model for dendrites growing and moving in melt flow, Nature partner journal - Comput. Mater. 5, art. no. 113, (pp. 1-10), 2019



Back »