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.
