Studium vlastností pevných látek vychází z ab-initio výpočtů elektronových stavů pevných látek v rámci teorie funkcionálu hustoty (DFT). Výpočty mají přispět k
a) objasnění makroskopických vlastností pevné látky na základě struktury a atomového složení
b) interpretaci experimentálních dat.
Z počátku jsme DFT výpočty elektronových stavů použili k interpretaci rentgenových spekter emisních a absorpčních pásů na našem pracovišti a později na pracovištích v Halle, Varšavě, Mnichově, Paříži a Vídni, během kterých vzniklo více jak 100 publikací. V poslední době bylo nejvýznamnějším výsledkem vědecké činnosti nalezení vztahu mezi mikroskopickými vlastnostmi látky – strukturou a atomárním složením krystalu – a tvrdostí látky.
V roce 2006 jsme definovali tvrdost látky pomocí hustoty meziatomových sil. Bylo to poprvé, kdy všechny veličiny potřebné k výpočtu tvrdosti je možno získat z prvních principů, což představuje zcela nový a zásadní rys v teoretickém přístupu studia této velmi důležité vlastnosti materiálů. Novým, velmi překvapivým výsledkem, který odporoval dřívějším představám je poznatek, že menší počet nejbližších atomů ve vazbě, tj. u struktur s menším koordinačním číslem, vede k větší tvrdosti látky než ve strukturách s větším koordinačním číslem. Na objevný charakter této práce upozornil webovský Physics World Alerts a také sloupek Frontiers časopisu Physics World, Vol. 19, No. 4. str. 4, April 2006 . Prezentovaná metoda objasňuje co je podstatou tvrdosti a možňuje předpovědět tvrdost i látek čistě hypotetických, což má zásadní význam při hledání nových supertvrdých materiálů.
V metodách z let 2006 a 2007 nebyla vzata v úvahu závislost tvrdosti na orientaci měřeného vzorku. Anizotropie tvrdosti monokrystalů, tj. efekt orientace krystalu vůči směru vnější síly, byla popsána v článku z roku 2009. Na rozdíl od dřívějších představ bylo zjištěno, že nikoliv podélné ale příčné meziatomové vazby ke směru vnější síly jsou rozhodující pro tvrdost krystalů. Také na tento výsledek upozorňovaly renomované časopisy Physical Review Focus Vol. 24, 4 September 2009 a Nature 461, 319 (17 September 2009) in Research Highlights.
Vzhledem k velkému používání výše uvedených metod - kolem 500 citací - byla zobecněna aproximace meziatomových sil ve složitých strukturách a provedeny výpočty pro aktuálně studované látky v posledních publikacích (4) a (5). V současné době optimalizujeme aproximace meziatomových sil.
Nejvýznamnější publikace
1) Hardness of covalent and ionic crystals:First-principle calculations, A. Šimůnek and J. Vackář Phys.Rev.Lett. 96, 085501 (2006).
2) How to estimate hardness of crystals on a pocket calculator, A. Šimůnek, Phys.Rev. B75, 172108 (2007).
3) Anisotropy of hardness from first principles: The cases of ReB2 and OsB2, A. Šimůnek, Phys. Rev. B 80, 060103(R) (2009).
4) Generalized bond-strength model of Vickers hardness: Application to Cr4B, CrB, CrB2, CrB4, Mo2B, MoB2, OsB2, ReB2, WB2, WB3 a Ti1.87B50, A. Šimůnek and M. Dušek, Mechanics of Materials 112 (2017) 71-75.
5) Hardness of Re-, Ru-, Os-based borides and metal substituted aluminum diborides of MgB2 type Mo0.5Al0.5B2, A. Šimůnek and M. Dušek, Int.J.Refractory Metals & Hard Materials 82 (2019) 110-112.
Elementární buňka krystalu ReB2. Vazby Re-B jsou vyznačeny světle, vazby B-B tmavě. Nalevo (a) jsou vertikální a horizontální směry podél os c a a, napravo (b) je znázorněna perspektivní projekce podél osy c. Vypočtené tvrdosti: podél osy c 50.3, podél osy a 41.8 GPa, kolmo na osy a a c 40.0 GPa.
