Vārds Uzvārds Amats Tālrunis Kabinets E-pasts
Vladimirs Kuzovkovs Laboratorijas vadītājs 27134915 436 Vladimirs.Kuzovkovs@cfi.lu.lv
Deniss Grjaznovs Vadošais pētnieks 27434516 234 Deniss.Grjaznovs@cfi.lu.lv
Olģerts Dumbrājs Vadošais pētnieks 26359386 234 olgerts.dumbrajs@lu.lv
Ēriks Klotiņš Vadošais pētnieks 67187866 434 eriks.klotins@cfi.lu.lv
Jevgēnijs Kotomins Vadošais pētnieks 67187480 436 jevgenijs.kotomins@cfi.lu.lv
Anatolijs Popovs Vadošais pētnieks 67187480 304 Anatolijs.Popovs@cfi.lu.lv
Guntars Zvejnieks Vadošais pētnieks 29821830 335 guntars.zvejnieks@cfi.lu.lv
Leonīds Rusevičs Pētnieks 67187480 306 leonids.rusevics@cfi.lu.lv
Andrejs Česnokovs Zinātniskais asistents 436
Aleksandrs Platoņenko Zinātniskais asistents 25956853 335
Aleksandra Moskina Inženiere
Dāvis Zavickis Inženieris 437 Davis.Zavickis@cfi.lu.lv

Pašorganizēto sistēmu kinētikas laboratorijia ir viena no vadošajām laboratorijām teorētiskās materiālzinātnes modelēšanas jomā Austrumeiropā, publicējot ik gadu apmēram 25 zinātniskos rakstus, kurus papildina 50 konferenču tēzes. Pētniecības līmenis ir ļoti inovatīvs, mēs attīstām jaunas metodoloģijas perspektīvu energoefektīvu materiālu modelēšanai.

Pētniecības virzieni:

  1. Bimolekulāro reakciju kinētika un pašorganizācija kondensētās vidēs
  2. Daudzu radiācijas defektu kinētiku eksperimentālo datu interpretācija plašai jonisko oksīdu klasei, kas izmantojama kodolsintēzes pielietojumiem
  3. Teorētiskā plazmas un žirotronu fizika

Pētniecības virzienu apraksts:

1.Bimolekulāro reakciju kinētika un pašorganizācija

Defektu veidošanās, mijiedarbības, migrācijas un rekombinācijas procesi nosaka materiālu pamata īpašības, īpaši to radiācijas noturību. Parasti difūzijas-kontrolētie kinētikas procesi tiek aplūkoti kā vienkāršas bimolekulāras reakcijas, neievērojot reaģentu telpiskos korelāciju. Tomēr reaģentu/defektu mijiedarbības rada tādas daudz sarežģītākas parādības kā struktūru veidošanās ķīmiskās reakcijās un vakanču superrežģi intensīvi apstarotās cietvielās. Šo parādību izpratnei, īpaši energoefektīvos materiālos, nepieciešams attīstīt jaunas modernas teorētiskās metodes un jaunus efektīvus aprēķinu algoritmus, kas pielietojami liela-izmēra sistēmu modelēšanai ar mobilām lādētām nano-daļiņām (defektiem), fokusējoties uz paš-strukturēšanos, un, izmantojot kompleksu tehnoloģisko materiālu kinētiku un ab initio termodinamiku.

Paš-strukturēšanās: Raksturīgie struktūru uzņēmumi (atšķirīgos laikos (a) un (b)), kas iegūti lādētu mobilu nanodaļiņu trīs-dimensionālās kondensētās sistēmās. Lielākie attēlu (a,b) savienotie nanodaļiņu domēni (c, d).

Pašreizējie darbības virzieni:

(i) attīstīt jaunas teorētiskās metodes paš-strukturētu sistēmu pētījumiem ar statisko un dinamisko sakārtošanos (nanodaļiņas vielā, radiācijas defekti un koloīdi cietvielās), kas kalpotu kā pamata celtniecības bloki nanoizmēru “slēdžiem” un mašīnām;

(ii) veikt daudzu radiācijas defektu kinētiku eksperimentālo datu interpretāciju plašai jonisko oksīdu klasei, kas izmantojama kodolsintēzes pielietojumiem (e.g. Al2O3, MgO, MgF2, MgAl2O4), ietverot metāla koloīdu veidošanos;

(iii) modelēt oksīdu nanodaļiņu veidošanos kodolsintēzes reaktoru konstrukciju materiālos, lai palielinātu to radiācijas noturību;

(iv) izskaidrot atomistisko paš-sakārtošanās mehānismu nano-pjezoelektriskās ierīcēs enerģijas iegūšanai;

(v) paredzēt punktveida defektu un piemaisījumu pamata īpašības plānās oksīdu kārtiņās.

Mūsu modernās pieejas pamatprincipi ķīmiskai kinētikai kondensētās vidēs, uzsverot pašorganizācijas efektus, aprakstīti monogrāfijā E.A. Kotomin and V.N. Kuzovkov, Modern aspects of diffusion-controlled reactions (Amsterdam: Elsevier, 1996), 616 p.

Mēs kombinējam analītiskās metodes ar šūnu automāta, molekulārās dinamikas, tiešo un apgriezto Monte Karlo metodi, kā arī izmantojam liela apjoma skaitlisko analīzi.

Daļēji ķīmiskās/fizikālās kinētikas aktivitātes ir saistītas ar aktuālo ERA-NET projektu HarvEnPiez par nano-pjezo-elektriskām ierīcēm (vad. E. Kotomins) un diviem Eurofusion projektiem (Enabling Research un Functional Materials):

HarvEnPiez (2016-2019) – Inovatīvie nano-materiāli un arhitektūras integrētiem pjezoelektriskās enerģijas iegūšanas pielietojumiem. Visefektīvākais elektriskās enerģijas iegūšanas veids no mehāniskām kustībām ir iespējams, izmantojot segnetoelektriķu pjezoelektrisko efektu. HarvEnPiez projektā, izmantojot ab inito aprēķinus, tiks paredzētas segnetoelektrisko daļiņu formas un izmēra ietekme uz pjezoelektrisko efektu. Dažādas segnetoelektriskās daļiņas ar noteiktu izmēru un cilindrisku, kubisku un/vai stieples formu tiks sintezētas un sistemātiski paš-strukturētas uz pamatnes enerģijas iegūšanas ierīcēs. Augstas veiktspējas ierīce tiks izveidota, izmantojot optimizēto segnetoelektrisko daļiņu kompozīciju, formu, izmēru un orientāciju un/vai pjezoelektriskā efekta pastiprināšanu, izmantojot režģa spraigumu.

Funkcionālie materiāli WP-15-PPPT-MAT (2015-2018) – Radiācijas radīto efektu datormodelēšana MgO, Al2O3, MgAl2O4, izmantojot dažādus starojuma avotus (elektroni, protoni, joni, neitroni). Radiācijas izturīgi izolatoru materiāli ir svarīgas nākotnes kodolsintēzēs reaktoru sastāvdaļas, ietverot diagnostikas elementus, ekranēšanu, u.c. Radiācijas bojājumu pētījumi šajos materiālos ir īpaši svarīgi. Šajā projektā, kas saistīts ar materiāliem Eurofusion aktivitātē, mēs koncentrējamies uz dažiem daudzsološiem materiāliem, pirmkārt, Al2O3 (sapphire). Mēs apvienojam primāro radiācijas defektu un to pamatīpašību atomistisko modelēšanu no pirmiem principiem un radiācijas efektu un metālu koloīdu veidošanās intensīva starojuma ietekmē kinētiku pētījumus.

Visi aprēķini tiek veikti uz nesen uzlabotā augstas veiktspējas datora (Latvian SuperCluster - "LASC") ar teorētisko maksimālo veiktspēju 11 TFlops.

2. Teorētiskā plazmas un žirotronu fizika

Mūsu pētījumos liela uzmanība veltīta reālām tehnoloģiskām problēmām. Īpaši mūsu dalību lieljaudas augstfrekvences žirotronu attīstīšanā motivē kodolsintēzes tehnoloģiju prasības. Žirotroni ir pārāki par citiem avotiem frekvenču apgabalā, kas būtisks elektronu ciklotronu rezonanses karsēšanai, apm. 170 GHz priekš ITER. Mūsu laboratorija (O. Dumbrāja vadībā) piedalās Eiropas žirotrona (European Gyrotron) attīstīšanā sadarbībā ar Forschungszentrum Karlsruhe Vācijā.

Mēs strādājam pie divām tēmām:

(a) Žirotronu pilnveidošana jauniem kodoltermiskiem reaktoriem – modu konkurences un stohastisko procesu pētījumi lielu-jaudu, augstu-frekvenču žirotronos, kuri domāti ITER.

Žirotroni ir mikroviļņu avoti, kuru darbība balstās uz statiskā magnētiskā laukā oscilējošu elektronu stimulēto ciklotronu radiāciju. Tagad ir pieejamas žirotronu ierīces, kuras ģenerē par dažām kārtām lielāku jaudu milimetru viļņu diapazonā nekā klasiskās mikroviļņu lampas un kuras strādā pie augstākām frekvencēm nekā citu veidu lampas. Žirotronu oscilatoriem ir daudz pielietojumu, ieskaitot tehnoloģiskos procesus, atmosfēras zondēšanu, ozona saglabāšanu, mākslīgo jonosfēras spoguli, augstas izšķirtspējas elektronu spinu rezonanses spektrosokopiju, kodolu magnētiskās rezonanses spektroskopiju, u.c. Tomēr, galvenais jaudīgo žirotronu pielietojums ir elektronu ciklotronu rezonanses plazmas uzkarsēšana kodoltermiskajos reaktoros – tokamakos.

(b) Magnētisko lauku līniju stohastizācija plazmā, kā iespējamais cēlonis ātram atkalsavienošanās procesam bieži pārtraukto neoklasisko pārrauto modu režīmā un zobveida sabrukumam ASEDEX Upgrade tokamakā.

Svarīgs kodolsintēzes pētījumu mērķis magnētiski ierobežotā plazmā ir palielināt sasniedzamo plazmas spiedienu. Tokamakos neoklasiskās pārrautās modas (NTM), t.i., magnētiskās salas ar m poloidālam un n toroidālām modām kļūst nestabilas, jo salu iekšienē zūd ‘zābakšņoru’ veida strāva, ir viena no galvenajām problēmām, jo tās tiek uzskatītas par visspēcīgāko ierobežojumu lielu plazmas spiedienu iegūšanai parastajos tokamaka scenārijos. Šādās nestabilitātēs iesaistīta ievērojama plazmas pārnese, kuru apraksta magnetohidrodinamikas ietvaros. 

Shematisks ITER kodoltermiskā reaktora attēls

ASV:

  • University of Maryland, USA (Dept of Materials Science and Engineering; Institute for Research in Electronics and Applied Physics)
  • Northwestern University, Evanston, Illinois, USA (Materials Research Scientific and Engineering Center, MRSEC)

Izraēla:

  • Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, Israel (Department of Materials Engineering)

Japāna:

  • University of Fukui, Japan (Research Center for Development of Far-Infrared Region)

Lietuva:

  • Semiconductor Physics Institute, Vilnius, Lithuania (Phase Transition Theory Group)

Rumānija:

  • University of Craiova, Craiova, Romania (Department of Applied Mathematics, Association Euratom-Mec)

Somija:

  • Helsinki University of Technology, Espoo, Finland (Association Euratom-Tekes)

Vācija:

  • Max Planck Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Germany (Physikalische Festkörperchemie)
  • Max Planck Institut für Plasmaphysik, Garching, Germany (Association Euratom-IPP)

Grieķija:

  • National Technical University of Athens, Greece (Association Euratom-Hellenic Republic)

Igaunija:

  • Institute of Physics, University of Tartu

Krievija

  • Federal research center Crystallography and Photonics, Russian Academy of Science" (FRC Crystallography and photonics RAS)

Spānija

  • CIEMAT, Madrid

Slovēnija

  • Jozef Stefan Institute, Ljubljana

Ukraina

  • Lviv University

R.A. Evarestov, D. Gryaznov, M. Arrigoni, E.A. Kotomin, A. Chesnokov and J. Maier, Use of site symmetry in supercell models of defective crystals: polarons in CeO2. - Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, p. 8340-8348.

E. Heifets, E.A. Kotomin, A.A. Bagaturyants and J. Maier, Thermodynamic stability of stoichiometric LaFeO3 and BiFeO3: a hybrid DFT study. - Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, p. 3738-3755.

O. Dumbrajs, T. Saito, and Y. Tatematsu, Start-up scenario of a high-power pulsed gyrotron for 300 GHz band collective Thomson scattering diagnostics in the Large Helical Device. - Phys. Plasmas, 2016, 23, 023106 (p. 1-8).

T.S. Bjørheim, M. Arrigoni, S.W. Saeed, E.A. Kotomin, and J. Maier, Surface segregation entropy of protons and oxygen vacancies in BaZrO3. - Chem. Mater., 2016, 28, p.1363−1368.

E. Klotins, A novel quantum field approach to photoexcited insulators. - Low Temp. Phys., 2016, 42, p. 726-732.

E.A. Kotomin, V.N. Kuzovkov, A.I. Popov, and R. Vila, Kinetics of F center annealing and colloid formation in Al2O3. - Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 2016, 374, p. 107–110.

E. Shablonin, A.I. Popov, A. Lushchik, A. Kotlov, and S. Dolgov, Excitation of different chromium centres by synchrotron radiation in MgO:Cr single crystals. - Physica B, 2015, 477, p. 133-136.

T.S. Bjørheim and E.A. Kotomin, Ab initio thermodynamics of oxygen vacancies and Zinc interstitials in ZnO. - J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, p. 4238−4242

D. Gryaznov, S. Baumann, E.A. Kotomin, and R. Merkle, Comparison of permeation measurements and hybrid density-functional calculations on oxygen vacancy transport in complex perovskite oxides. - J. Phys. Chem. C, 2014, 118, p. 29542−29553.

V.N. Kuzovkov and E.A. Kotomin, Static and dynamic screening effects in the electrostatic self-assembly of nano-particles. - Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, p. 25449-25460.

V.N. Kuzovkov, G. Zvejnieks, and E.A. Kotomin, Theory of non-equilibrium critical phenomena in three-dimensional condensed systems of charged mobile nanoparticles. - Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, p. 13974-13983.

G. Zvejnieks, A. Ibenskas, and E.E. Tornau, Kinetic Monte Carlo modeling of reaction-induced phase separation in Au/Ni(111) surface alloy. - Surf. Coat. Technol., 2014, 255, p. 15-21.

O. Dumbrajs and G.S. Nusinovich, Effect of electron beam misalignments on the gyrotron efficiency. - Phys. Plasmas, 2013, 20, 073105 (p.1-6).

P.K. Jha, V.N. Kuzovkov, and M. Olvera de la Cruz, Kinetic Monte Carlo simulations of flow-assisted polymerization. - ACS Macro Lett., 2012, 1, p. 1393−1397.

P.K. Jha, V.N. Kuzovkov, B.A. Grzybowski, and M. Olvera de la Cruz, Dynamic self-assembly of photo-switchable nanoparticles. - Soft Matter, 2012, 8, p. 227–234.

Apskati:

Kuzovkov V.N., Kotomin E.A. Kinetics of bimolecular reactions in condensed media. -Rep. on Progr. in Physics, 1988, 51, No.12, p.1479-1524.

Kotomin E.A., Kuzovkov V.A. Phenomenological theory of the recombination and accumulation kinetics of radiation defects in ionic solids. –Rep. Progr. Phys., 1992, 55, p.2079-2202.

Eglitis R., Kotomin E.A., Borstel G. Large scale computer modeling of point defects, polarons and pervoskite solid solutions. – Defects and Diffusion Forum, 2004, 226-228, p. 169-180.

Zhukovskii Yu., Kotomin E.A., Evarestov R.A., Ellis D.E. Periodic Models in Quantum Chemical Simulations of F Centers in Crystalline Metal Oxides. - Int. J. Quantum Chem., 2007, 107, p.2956-2985.

Kotomin E.A. and Popov A.I. The kinetics of radiation-induced point defect aggregation and metallic colloid formation in ionic solids. In: Radiation Effects in Solids, NATO ASI Science Series II. Physics, Chemistry and Mathematics (Eds. K. Sikafus and E.A. Kotomin), 2006, 235, p. 153-192.

Grāmatas:

E.A. Kotomin and V.N. Kuzovkov, Modern Aspects of Diffusion-Controlled Processes: Cooperative Phenomena in Bimolecular Reactions, North Holland, Elsevier Publ. (vol. 34 in a series Comprehensive Chemical Kinetics),1996. 620 p.

C.R.A. Catlow and E.A.Kotomin (eds.), Computational Materials Science, IOS press, Amsterdam, Berlin, Oxford,Tokyo, Washington,DC, 2003, 420 pp. (NATO Science series III: Computer and Systems Sciences, vol. 187).

K. Sickafus and E.A. Kotomin (eds.), Radiation Effects in Solids, 2006, NATO ASI Science Series II. Physics, Chemistry and Mathematics, Vol. 235.

Nodaļas monogrāfijās:

V.N. Kuzovkov, Aggregation and Structure Formation in Reaction-Diffusion Processes in Chemical Systems. — Book chapter 8 in: Aggregation phenomena in complex systems, (Eds. J. Schmelzer, G. Röpke, R. Mahnke (Weinheim: Wiley-VCH, 1999), p. 205-239.

V.N. Kuzovkov, E.A. Kotomin, G. Zvejnieks, K.D. Li, T.H. Ding, L.M. Wang, Void Superlattice Formation in Electron Irradiated Insulating Materials.—Book chapter 11 in: Advances in Materials Science Research, vol. 2, 2011, pp. 191-216 (Nova Science Publishers, ed. Maryann C. Wythers).

E. Heifets, E.A. Kotomin, Yu.A. Mastrikov, S. Piskunov, and J. Maier, Thermodynamics of ABO3-type perovskite surface. —Book chapter in: Thermodynamics - Interaction studies - Solids, liquids and gases (InTech Open Access Publishers), 2011, p. 491-518.

E.A. Kotomin, R. Merkle, Yu.A. Mastrikov, M.M. Kuklja, and J. Maier, Energy Conversion: Solid Oxide Fuel Cells. First-Principles Modeling of Elementary Processes. - Chapter 6 in book: Computational Approaches to Energy Materials (eds. A.Walsch, A.Sokol, C.R.A. Catlow, Wiley), 2013, p. 149-186.

M. Arrigoni, E.A. Kotomin, and J. Maier, Large scale modeling of defects in advanced oxides: Oxygen vacancies in BaZrO3 crystals. - Chapter in a book: High Performance Computing in Science and Engineering (eds. W. Nagel et al., Springer, Switzerland), 2016, p. 187-198.