Resumo: A partir do uso de técnicas de simulações atomísticas, que podem ser consideradas como un método de "microscopia computacional in situ", estudamos as propriedade mecânicas do gelo Ih observando em detalhe os mecanismos de deformação a escalas atómicas. Como segunda parte desta Tese, também investigamos através de simulações atomísticas, os processos fora do equilíbrio em misturas binárias repulsivas. Usando simulações de dinâmica molecular, avaliamos a deformação uniaxial e a resposta à nanoindentação do gelo Ih, descrito por dois modelos populares de água, o potencial TIP4P/Ice e o modelo de água monoatômica (mW). Em particular, investigamos a resposta às deformações uniaxiais de tração e compressão ao longo de direções cristalográficas e temperaturas diferentes. Enquanto o modelo TIP4P/Ice falha por clivagem frágil sob tensão a baixas temperaturas ou por amorfização/fusão em larga escala, o potencial mW comporta-se de forma muito mais dúctil, apresentando inúmeros casos em que o alívio de tensão envolve a nucleação e subsequente atividade de discordâncias na estrutura cristalina. Estudamos também o processo de nanoindentação sob o plano basal, considerando duas temperaturas diferentes nas quais, respectivamente, uma camada quase-líquida (QLL) está ou não presente. A temperaturas muito baixas, na ausência de uma QLL, ambos os potenciais produzem curvas de carga e mecanismos de deformação similares. Perto da temperatura de fusão, porém, foram encontradas diferenças importantes, incluindo desvios na espessura e fração da QLL, bem como a presença de uma competição entre eventos de fusão e recristalização induzidos por pressão. No entanto, ambos os potenciais apresentam mecanismos de deformação semelhantes e estimativas de dureza que são consistentes com os dados experimentais. Na segunda parte, consideramos os processos fora do equilíbrio de misturas binárias clássicas descritas por um conjunto de diferentes potenciais de interação de pares puramente repulsivos, nos quais uma configuração de temperatura infinita (gás ideal) é rapidamente resfriada até a temperatura zero. Encontra-se que tais sistemas apresentam dois tipos de processos de ordenamento, cujo tipo pode ser controlado através do ajuste das interações entre partículas, sendo que, uma forte repulsão inter-espécies leva ao ordenamento químico em termos de uma separação de fase, e uma fraca repulsão dá origem à cristalização espontânea, mantendo a homogeneidade química. Além disso, o comportamento do tipo dual parece ser universal para funções repulsivas de energia potencial em geral, com a propensão para o processo de cristalização sendo relacionada ao seu comportamento na vizinhança de separação zero Ver menos

Abstract: Using atomistic simulation techniques, which can be considered as a method of "computational microscopy in situ", we study the mechanical properties of ice Ih by observing in detail the deformation mechanisms at atomic scales. As a second part of this Thesis, we also investigate through atomistic simulations, the nonequilibrium processes in repulsive binary mixtures. Using molecular dynamics simulations, we assess the uniaxial deformation and nanoindentation response of ice Ih as described by two popular water models, namely, the all-atom TIP4P/Ice potential and the coarse-grained mW model. In particular, we investigate the response to both tensile and compressive uniaxial deformations along different crystallographic directions and temperatures. While the TIP4P/Ice model fails by either brittle cleavage under tension at low temperatures or large-scale amorphization/melting, the mW potential behaves in a much more ductile manner, displaying numerous cases in which stress relief involves the nucleation and subsequent activity of lattice dislocations. We study also the nanoindentation process on the basal plane, considering two different temperatures at which, respectively, a quasi-liquid layer (QLL) is or is not present. At very low temperatures, in the absence of a QLL, both potentials produce similar loading curves and deformation mechanisms. Close to the melting temperature, however, important differences were found, including deviations in the QLL thickness and fraction, as well as the presence of a competition between pressure-induced melting and recrystallization events. Nevertheless, both potentials exhibit similar deformation mechanisms and hardness estimates that are consistent with experimental data. Secondly, we consider nonequilibrium processes for classical binary mixtures described by a set of different purely repulsive pair interaction potentials in which an infinite-temperature (ideal-gas) configuration is rapidly quenched to zero temperature. It is found that such systems display two kinds of ordering processes, the type of which can be controlled by tuning the interactions between unlike particles. While strong inter-species repulsion leads to chemical ordering in terms of an unmixing process, weak repulsion gives rise to spontaneous crystallization, maintaining chemical homogeneity. Furthermore, the dual-type behavior appears to be universal for repulsive pair-interaction potential- energy functions in general, with the propensity for the crystallization process being related to their behavior in the neighborhood of zero separation Ver menos