Staal is en blijft het meest gebruikte constructiemateriaal ter wereld, met toepassingen gaande van paper-clips over bruggen naar auto’s en wasmachines – staal is letterlijk bijna overal te vinden. De eigenschappen van staal worden bepaald door de combinatie van productieparameters en de legeringssamenstelling, waarbij koolstof het belangrijkste legeringselement is. Koolstof kan aanwezig zijn als vaste oplossingselement in ijzer, maar ook als precipitaat onder de vorm van een carbide, bijv. Fe₃C (cementiet – zie figuur). De manier waarop en de positie waarin koolstof in het ijzer (bcc) kristalrooster zit, bepalen in sterke mate belangrijke technolgische eigenschappen, zoals sterkte, ductiliteit en taaiheid. Bijgevolg is de fundamentele kennis van het gedrag van koolstof in de ijzer matrix en de interactie met defecten in het kristalrooster van groot belang voor de verdere ontwikkeling van nieuwe staalsoorten.

Experimenteel staalonderzoek heeft een geschiedenis van millenia. Het gebruik van kwantumfysische simulaties om staal te bestuderen, is vergeleken daarmee piepjong. Een van de voordelen van dergelijke simulaties is dat het mogelijk is om het gedrag van een of meer individuele atomen te bestuderen. Experimenteel onderzoek haalt meestal die resolutie niet. Dergelijke simulaties zijn in het recente verleden bvb. gebruikt om te berekenen waar een individueel koolstofatoom in een ferrietmatrix terecht komt (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.67.214103).

De vraag die je in deze thesis zal onderzoeken is: hoe ziet een beginnend cementietprecipitaat (enkele atomen groot) in een ijzerrooster er uit? Je kan dit op verschillende manieren uitzoeken, en de resultaten met mekaar vergelijken:

• In de literatuur zijn kwantumfysische simulaties beschikbaar die de oppervlakte-energie van een heel aantal Fe3C-oppervlakken geven (http://dx.doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00352-2). Met deze informatie kan je via de zogenaamde Wulff-constructie (http://en.wikipedia.org/wiki/Wulff_construction, http://www.ctcms.nist.gov/wulffman/ -- zie figuur) de vorm van een cementietkristal voorspellen dat vrij groeit in vacuum.
• Je kan een stap verder gaan door zelf kwantumfysische simulaties uit te voeren voor de grensvlakenergieën van cementie met ferriet (zoals in http://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.11.020, maar dan voor meer soorten grensvlakken). Hiermee kan je – opnieuw via de Wulff-constructie – de vorm van een cementietprecipitaat in een ijzeromgeving voorspellen.
• Wulff-constructies geven een vormvoorspelling die relevant wordt voor kristallen van enkele duizenden atomen en meer. Dat is nog steeds klein op experimentele schaal, maar reusachtig op atomaire schaal. Heel kleine precipaten – denk aan een tiental atomen – kan je rechtstreeks simuleren. Op die manier kan je bestuderen hoe de kiem van een precipitaat zich lokaal inpast in het ferrietrooster.

Dit onderzoek wordt uitgevoerd binnen het Centrum voor Moleculaire Modellering in samenwerking met de vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen. Voorkennis van kwantumfysische computerpakketten is geen vereiste, geïnteresseerde studenten krijgen de nodige opleiding hieromtrent. De resultaten van de simulaties zullen in nauw overleg met OCAS worden besproken.

Geïnteresseerde studenten hebben de kans om voorafgaand aan dit thesisonderzoek een stage bij OCAS in Zwijnaarde uit te voeren.