Фазовые переходы первого рода, несмотря на своё разнообразие, проходят через общие стадии развития, и самой важной и сложной из них является стадия нуклеации. Изучение этого этапа требует тщательного анализа, поскольку в нем пересекаются вопросы термодинамики малых систем и процессы, связанные с преодолением энергетического барьера зарождающимися частицами новой фазы. Для детального понимания процессов нуклеации крайне важно использование методов компьютерного моделирования. Учитывая небольшие размеры зарождающегося ядра новой фазы, необходимо принимать во внимание ряд особенностей, таких как вклад границы раздела, поверхностная энергия или релаксация механических напряжений. Корректное описание этого процесса требует высокоточного моделирования структуры зародышей и окружающего материала, что является непростой задачей для современных методов вычислительного материаловедения.
Первопринципные методы теории функционала плотности (ТФП) дают возможность расчёта свойств атомарных систем с высокой точностью. Однако их применимость ограничена вычислительными мощностями, что позволяет моделировать только системы, состоящие из сотен атомов, с периодической структурой. Для описания процессов нуклеации фаз требуется моделирование значительно больших систем, включающих до 10⁶ атомов, что выходит за пределы возможностей традиционных ТФП методов. С другой стороны, эмпирические потенциалы менее требовательны к вычислительным ресурсам и могут описывать системы до миллиона атомов. Тем не менее, ранее для описания нуклеации они практически не применялись, поскольку традиционные эмпирические потенциалы имели существенные ограничения: их параметризация обычно основывалась на узком наборе модельных систем, что делало их непригодными для моделирования переходных состояний и фазовых трансформаций. В последние годы ситуация изменилась с появлением потенциалов, основанных на машинном обучении (МО-потенциалы). Эти потенциалы могут быть натренированы на большом количестве данных, получаемых из расчётов первопринципными методами. Таким образом, они сочетают точность ТФП с возможностью моделирования систем, содержащих большое количество атомов.
Целью проекта является моделирование на атомном уровне зародышеобразования алмаза и КБН в процессе HPHT в присутствии катализаторов. В частности, будут определены первые шаги нуклеации новой фазы, возможность появления промежуточных фаз вюрцита или тетрагонального BN, что ранее было недоступно как для эксперимента, так и для теории. Для достижения цели будут разработаны МО-потенциалы, которые позволят описывать взаимодействия с точностью ТФП и проводить моделирование фазовых переходов в углеродных и BN системах.