Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật khảo sát hiện tượng động học dị thường trong hệ thống lennard jones hai chiều bằng phương pháp mô phỏng trên máy tính

Khám phá hiện tượng động học dị thường trong hệ thống Lennard-Jones hai chiều qua mô phỏng máy tính trong luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thùy Trang
• Người hướng dẫn: GS. Võ Văn Hoàng, ĐH Bách Khoa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Khảo Sát Hiện Tượng Động Học Dị Thường Trong Hệ Lennard - Jones Hai Chiều Bằng Phương Pháp Mô Phỏng Trên Máy Tính
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhiệt động học và động học của chất lỏng làm lạnh nhanh

Nghiên cứu về động học dị thường trong hệ thống Lennard-Jones hai chiều bắt đầu từ việc hiểu rõ các khái niệm cơ bản về nhiệt động học. Khi làm lạnh chất lỏng, tốc độ làm lạnh ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Theo Ziman, sự mất trật tự trong chất lỏng không chỉ đơn thuần là ngẫu nhiên mà còn có cấu trúc với nhiều khuyết tật. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi làm lạnh nhanh, có thể xảy ra các chuyển pha khác nhau, từ lỏng sang rắn hoặc vô định hình. Tốc độ làm lạnh càng nhanh, nhiệt độ chuyển pha càng thấp. Điều này dẫn đến sự thay đổi trong các đại lượng nhiệt động học như thể tích và enthalpy. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đại lượng này là rất quan trọng trong việc hiểu cơ chế nguyên tử của chuyển pha. Cơ chế này vẫn chưa được hiểu rõ, đặc biệt là trong vùng gần nhiệt độ chuyển pha. Do đó, việc khảo sát hiện tượng này là cần thiết để làm sáng tỏ các cơ chế vi mô của động học dị thường.

II. Tổng quan các nghiên cứu về hiện tượng dị thường trong mô hình 3D

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng động học dị thường trong hệ 3D có thể được mô phỏng bằng phương pháp mô phỏng máy tính. Walter Kob và các cộng sự đã sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD) để khảo sát hỗn hợp hai loại nguyên tử trong hệ ba chiều. Họ phát hiện rằng các nguyên tử có độ linh động cao có xu hướng kết tụ thành các cụm khi nhiệt độ giảm. Điều này cho thấy sự không đồng nhất trong động học của chất lỏng làm lạnh nhanh. Glotzer và Donati đã mô tả hiện tượng này một cách định lượng, cho thấy rằng sự kết nối giữa các nguyên tử trở nên dài hơn khi nhiệt độ giảm. Các nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế vi mô của động học dị thường và mối liên hệ của nó với quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn. Những hiểu biết này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển vật liệu mới.

III. Tổng quan các nghiên cứu về hiện tượng dị thường trong mô hình 2D

Nghiên cứu về động học dị thường trong hệ hai chiều (2D) cũng đã được thực hiện. Adam và Gibbs đã đề xuất mô hình liên kết chuyển động của các phân tử trong hệ 2D. Các mô phỏng cho thấy rằng, trong hệ hai chiều, hiện tượng động học dị thường cũng xảy ra tương tự như trong hệ ba chiều. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, khi làm lạnh nhanh, các nguyên tử trong hệ 2D có xu hướng hình thành các cụm lớn, tương tự như trong hệ 3D. Điều này cho thấy rằng, mặc dù có sự khác biệt về cấu trúc không gian, nhưng cơ chế vi mô của động học dị thường vẫn có những điểm tương đồng. Việc hiểu rõ hiện tượng này trong hệ 2D có thể mở ra hướng nghiên cứu mới cho các vật liệu hai chiều như graphene và silicene, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ nano.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động học trong hệ Lennard-Jones hai chiều. Sự thay đổi cấu trúc của mô hình ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau đã được khảo sát kỹ lưỡng. Các đại lượng như năng lượng toàn phần và hàm phân bố xuyên tâm cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các tốc độ làm lạnh. Đặc biệt, sự khác biệt trong quá trình kết bó của các nguyên tử có cùng độ dịch chuyển được thể hiện qua các đồ thị và hình ảnh trực quan. Những phát hiện này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về động học dị thường mà còn có thể ứng dụng trong việc phát triển các vật liệu mới với tính chất ưu việt hơn. Việc khảo sát này mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật lý kỹ thuật và công nghệ vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THÙY TRANG KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG ĐỘNG HỌC DỊ THƯỜNG TRONG HỆ LENNARD – JONES HAI CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 60520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: GS. Võ Văn Hoàng, ĐH Bách Khoa Cán bộ chấm nhận xét 1: Nguyễn Trƣơng Thanh Hiếu, ĐH Tôn Đức Thắng Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Thị Thu Hạnh, ĐH Bách Khoa Luận văn đƣợc bảo vệ tại trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM ngày 12 tháng 01 năm 2019. Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.

Chủ tịch: PGS. Huỳnh Quang Linh 2. Nguyễn Thị Thúy Hằng 3. Phản biện 1: TS.

Nguyễn Trƣơng Thanh Hiếu 4. Phản biện 2: TS. Trần Thị Thu Hạnh 5. Ủy viên: TS.

Phạm Thị Hải Miền Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữ (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG PGS. Huỳnh Quang Linh PGS. Trƣơng Tích Thiện ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Thùy Trang MSHV: 1570795 Ngày, tháng, năm sinh: 23/12/1989 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 60520401 I.

TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HIỆN TƢỢNG ĐỘNG HỌC DỊ THƢỜNG TRONG HỆ LENNARD - JONES HAI CHIỀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát cơ chế nguyên tử, các tính chất nhiệt động lực học và so sánh hiện tƣợng động học dị thƣờng khi làm lạnh ở hai tốc độ khác nhau. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018 V.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: GS. tháng… năm 2019 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) GS. Võ Văn Hoàng TRƢỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký) PGS. Trƣơng Tích Thiện LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ quý thầy cô, gia đình, bạn bè.

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. Thầy là ngƣời hƣớng dẫn, chỉ bảo và có những lời nhận xét tỉ mỉ, cung cấp cho em những kiến thức và phƣơng pháp nghiên cứu thiết yếu đầu tiên, hƣớng dẫn em hình dung đƣợc con đƣờng thực hiện một công trình nghiên cứu khoa học. Thầy cũng là ngƣời luôn giúp đỡ em vƣợt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn này. Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyễn Hoàng Giang đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình chạy chƣơng trình mô phỏng tại phòng Vật lý tính toán trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM.

Đồng thời, em cũng xin cảm ơn các thầy cô khoa Khoa học Ứng dụng, Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, cung cấp cho em những kiến thức nền tảng trong suốt hai năm học tập tại trƣờng. Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình và những ngƣời bạn luôn bên cạnh và hỗ trợ em để em có thể hoàn thành tốt khóa luận này. Trên mỗi chặng đƣờng đã đi qua, em cảm thấy may mắn vì luôn có gia đình, bạn bè, thầy cô luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ.

Chúc cho tất cả mọi ngƣời nhiều sức khỏe, hạnh phúc và gặt hái nhiều thành công trong cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn. HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Thùy Trang TÓM TẮT Vật liệu hai chiều một lớp nguyên tử (graphene) đƣợc chế tạo bằng thực nghiệm đầu tiên bởi Novoselov và cộng sự năm 2004 và nhận đƣợc giải Nobel năm 2010. Sau đó nhiều loại vật liệu hai chiều đơn nguyên tử khác cũng đƣợc tìm thấy và hứa hẹn đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế nhƣ silicene, phosphorene, ironene,… Nghiên cứu cấu trúc vi mô, khảo sát cơ chế chuyển pha, các hiện tƣợng động lực học của vật liệu hai chiều là hƣớng nghiên cứu nóng nhất hiện nay trên thế giới.

Trong đó, hiện tƣợng dị thƣờng về mặt động học của vật liệu hai chiều (2D) ở trạng thái lỏng làm lạnh nhanh đang đƣợc đặc biệt chú ý và đƣợc nghiên cứu nhiều bằng thực nghiệm. Nhằm khảo sát rõ ràng hơn hiện tƣợng này, học viên tiến hành khảo sát quá trình kết cụm của nguyên tử có độ linh động giống nhau hay ở gần nhau, sự thay đổi về cấu trúc, tính chất nhiệt động học, cơ chế nguyên tử của quá trình chuyển pha trong mô hình 2D đơn nguyên tử tƣơng tác qua thế Lennard – Jones với tốc độ làm lạnh khác nhau. Đó cũng chính là lí do học viên quyết định thực hiện đề tài: “Khảo sát hiện tƣợng động học dị thƣờng trong hệ Lennard- Jones 2 chiều bằng phƣơng pháp mô phỏng trên máy tính” Cấu trúc luận văn gồm bốn chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan: trình bày tổng quan về nhiệt động học và nhiệt động học của chất lỏng làm lạnh nhanh, tổng quan về nghiên cứu hiện tƣợng dị thƣờng trong mô hình 3D và tổng quan về nghiên cứu hiện tƣợng dị thƣờng trong mô hình 2D.

Tính toán và mô phỏng: giới thiệu về phƣơng pháp động lực học phân tử (MD), thế tƣơng tác và các kỹ thuật tính toán dùng trong mô phỏng. Kết quả và thảo luận: trình bày kết quả nhận đƣợc khi làm lạnh mô hình, các tính chất cấu trúc trong quá trình chuyển pha và sự khác biệt của hiện tƣợng kết bó các nguyên tử có cùng độ dịch chuyển khi tinh thể hóa và thủy tinh hóa qua các đồ thị, trực quan bằng hình ảnh. Kết luận và hướng phát triển của đề tài: trình bày những kết luận rút ra đƣợc sau khi thực hiện đề tài và định hƣớng phát triển đề tài trong nghiên cứu sau này. Luận văn sử dụng phƣơng pháp mô phỏng động lực học phân tử cổ điển (MD), với thế tƣơng tác LJ cho mô hình gồm 6400 nguyên tử có khối lƣợng riêng   0.

Làm lạnh mô hình với hai tốc độ từ nhiệt độ T  2.1 với 106 và 104 bƣớc MD. Từ đó khảo sát các đại lƣợng nhiệt động học, khảo sát sự thay đổi cấu trúc theo nhiệt độ và quá trình kết bó nhóm của các nguyên tử trong quá trình làm lạnh. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu riêng của học viên dƣới sự hƣớng dẫn của GS. Các số liệu, hình vẽ, đồ thị liên quan đến kết quả học viên thu đƣợc trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, khách quan.

Học Viên Nguyễn Thị Thùy Trang MỤC LỤC MỤC LỤC. I DANH MỤC VIẾT TẮT .III DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. IV CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Tổng quan về nhiệt động học và động học của chất lỏng làm lạnh nhanh.

Tổng quan các nghiên cứu về hiện tƣợng dị thƣờng trong mô hình 3D. Tổng quan các nghiên cứu về hiện tƣợng dị thƣờng trong mô hình 2D .7 CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG. Phƣơng pháp động lực học phân tử. Các tính toán dùng trong mô phỏng.

Thế tƣơng tác Lennard – Jones. Điều kiện biên tuần hoàn. Đơn vị vật lý sử dụng trong mô phỏng. Các phần mềm đƣợc sử dụng trong luận văn.

Các chi tiết về mô hình vật liệu đƣợc mô phỏng .20 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Tính chất nhiệt động học: sự phụ thuộc vào nhiệt độ của năng lƣợng toàn phần trên mỗi nguyên tử ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau. Khảo sát sự thay đổi cấu trúc của mô hình ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau. Khảo sát sự thay đổi hàm phân bố xuyên tâm.

Sự khác biệt của tỉ lệ nguyên tử có cùng độ dịch chuyển (hay có độ dịch chuyển gần nhau) ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau. Sự khác biệt trong quá trình kết bó của các nguyên tử có cùng độ dịch chuyển (hoặc có độ dịch chuyển gần nhau) ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau. Sự khác biệt về sự thay đổi tỷ lệ các nguyên tử hóa rắn khi nhiệt độ giảm ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau. Trực quan sự kết bó các nguyên tử cùng độ dịch chuyển ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau .33 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.

Hƣớng phát triển đề tài .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO.39 II DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ Nguyên văn Chú giải viết tắt 2D Two dimensional Hai chiều 3D Three dimensional Ba chiều ad atomic displacements Độ dịch chuyển của nguyên tử MD Molecular Dynamics Động lực học phân tử RDF Radial Distribution Function Hàm phân bố xuyên tâm g(r) VMD Visual Molecular Dynamics Phần mềm trực quan phân bố nguyên tử trong mô hình Rc Cutoff Radius Bán kính cắt Tg Glass Transition Temperature Nhiệt độ chuyển pha từ lỏng sang vô định hình Tc Crystallization Temperature Nhiệt độ tinh thể hóa III DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Thứ tự Nội dung Trang hình vẽ Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thể tích, enthalpy của vật liệu Hình 1.1 khi làm lạnh từ trạng thái lỏng (hay ngƣợc lại khi nung lên từ 4 trạng thái rắn). Một trong những cụm nguyên tử loại A có độ linh động lớn Hình 1.2 nhất đƣợc tìm thấy tại T  0. Cụm gồm 125 hạt, đƣợc biểu 5 diễn dƣới dạng mặt cầu bán kinh r  0. Các hạt thể hiện sự dịch chuyển lớn nhất (màu xám) và nhỏ nhất (màu đen) trong thời gian t tùy ý, tại T  0.

Sự tập Hình 1.3 6 hợp các hạt có tính linh động giống nhau đƣợc thể hiện rõ trong hình. Vị trí của các hạt nhanh nhất (quả cầu lớn) và các hạt khác (quả cầu nhỏ hơn). Các hình cầu đƣợc vẽ nhỏ hơn cho rõ ràng; tất cả các hạt có cùng kích thƣớc vật lý với quả cầu lớn thể hiện trong hình này. (A) "làm lạnh nhanh" t  1000s , các hạt nhanh nhất Hình 1.

Các cụm màu đỏ chứa 69 hạt, cụm màu xanh nhạt chứa 50 hạt. (B)"trạng thái vô định hình" t  720s ; các hạt hada nhanh nhất dịch chuyển > 0,33 m. Cụm lớn nhất (màu đỏ) chứa 21 hạt. Trực quan 3D về sự xuất hiện của các nguyên tử rắn trong hệ Hình 1.5 8 thống khi đƣợc làm lạnh từ trạng thái lỏng.6 Mô phỏng quỹ đạo của 780 đĩa mềm ở   0.98 thu đƣợc sau 9 IV 20 lần va chạm.