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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về nhiệt động học và động học của chất lỏng làm lạnh nhanh
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về hiện tượng dị thường trong mô hình 3D
• 1.3. Tổng quan các nghiên cứu về hiện tượng dị thường trong mô hình 2D
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG
• 2.1. Phương pháp động lực học phân tử
• 2.2. Các tính toán dùng trong mô phỏng
• 2.3. Thế tương tác Lennard – Jones
• 2.4. Điều kiện biên tuần hoàn
• 2.5. Đơn vị vật lý sử dụng trong mô phỏng
• 2.6. Các phần mềm được sử dụng trong luận văn
• 2.7. Các chi tiết về mô hình vật liệu được mô phỏng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tính chất nhiệt động học: sự phụ thuộc vào nhiệt độ của năng lượng toàn phần trên mỗi nguyên tử ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau
• 3.2. Khảo sát sự thay đổi cấu trúc của mô hình ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau
• 3.3. Khảo sát sự thay đổi hàm phân bố xuyên tâm
• 3.4. 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
• 3.5. 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
• 3.6. 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
• 3.7. Trực quan sự kết bó các nguyên tử cùng độ dịch chuyển ở hai tốc độ làm lạnh khác nhau
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 4.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kể từ khi vật liệu hai chiều một lớp nguyên tử graphene được Novoselov và các cộng sự chế tạo thành công bằng thực nghiệm vào năm 2004 và vinh dự nhận giải Nobel Vật lý năm 2010, làn sóng nghiên cứu cấu trúc vi mô của các hệ vật liệu hai chiều đơn nguyên tử như silicene, phosphorene hay ironene đã bùng nổ mạnh mẽ trên toàn cầu. Trong các hệ vật liệu hai chiều ở trạng thái lỏng làm lạnh nhanh, hiện tượng động học dị thường (dynamic heterogeneity) đóng vai trò then chốt trong việc quyết định trạng thái chuyển pha cấu trúc, tuy nhiên cơ chế vi mô cấp độ nguyên tử giữa quá trình tinh thể hóa và thủy tinh hóa vẫn chưa được làm sáng tỏ đầy đủ.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý kỹ thuật với mã số 60520401 của tác giả Nguyễn Thị Thùy Trang, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Võ Văn Hoàng tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung khảo sát chi tiết hiện tượng động học dị thường, sự kết cụm của các nhóm nguyên tử có cùng độ linh động và các tính chất nhiệt động lực học trong hệ hai chiều đơn nguyên tử tương tác qua thế Lennard-Jones.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện từ ngày 15/01/2018 đến ngày 02/12/2018 tại Phòng Vật lý tính toán thuộc Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh và chính thức bảo vệ vào ngày 12/01/2019. Công trình khảo sát mô hình gồm 6400 nguyên tử ở mật độ diện tích 0.9, làm sáng tỏ sự khác biệt rõ nét về cơ chế chuyển pha giữa hai tốc độ làm lạnh 10^-5 (thủy tinh hóa ở nhiệt độ chuyển pha Tg = 0.45) và 10^-7 (tinh thể hóa ở nhiệt độ Tc = 0.56), mang lại bức tranh vật lý hoàn chỉnh về động thái nguyên tử phục vụ thiết kế các màng mỏng nano hai chiều tiên tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu áp dụng lý thuyết chuyển pha nhiệt động học phân biệt giữa chuyển pha loại I (tinh thể hóa) và chuyển pha liên tục (thủy tinh hóa vô định hình), kết hợp với lý thuyết động học dị thường trong chất lỏng làm lạnh nhanh do Adam và Gibbs khởi xướng từ năm 1965, sau đó được phát triển mạnh mẽ bởi Walter Kob, Donati và Glotzer. Mô hình sử dụng trường thế tương tác cặp Lennard-Jones 12-6 kinh điển để mô tả lực đẩy tương tác lõi ion tỷ lệ với r^-12 và lực hút van der Waals tỷ lệ với r^-6, với bán kính cắt tiêu chuẩn Rc = 3.3 sigma và bán kính cắt của mặt cầu phối vị đầu tiên Rc = 1.35 sigma.

Các khái niệm then chốt được xây dựng chặt chẽ trong hệ đơn vị rút gọn Lennard-Jones bao gồm: hàm phân bố xuyên tâm g(r) xác định xác suất tìm thấy nguyên tử trong đới cầu dr nhằm định lượng trật tự cấu trúc; độ dịch chuyển nguyên tử (atomic displacements) phân loại mức độ linh động hạt; kích thước kết bó trung bình và kích thước bó lớn nhất Smax biểu thị quy mô tập hợp các hạt cùng pha động học; cùng hai mốc nhiệt độ chuyển pha tới hạn là nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg và nhiệt độ tinh thể hóa Tc.

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu mô phỏng được thiết lập gồm đúng 6400 nguyên tử (N = 6400) phân bố trong một ô mô phỏng hai chiều chuẩn ở mật độ diện tích rho = 0.9. Phương pháp chọn mẫu áp dụng điều kiện biên tuần hoàn hai chiều dọc theo hai hướng trục x và y, cố định trục z nhằm loại bỏ hiệu ứng bề mặt biên giới hạn và tái tạo trung thực trạng thái của một khối vật chất hai chiều vô hạn, vận hành ở chế độ vi chính tắc mở rộng NVT (bảo toàn số hạt, thể tích và nhiệt độ).

Dữ liệu được thu thập thông qua giải hệ phương trình vi phân chuyển động Newton bằng thuật toán tích phân số Verlet với bước thời gian dt = 0.001 (tương đương khoảng 10^-15 giây). Phương pháp động lực học phân tử (MD) cổ điển được lựa chọn vì tính ưu việt vượt trội trong việc theo dõi chính xác từng tọa độ và quỹ đạo hạt riêng lẻ theo thời gian thực tại cấp độ nguyên tử, khắc phục hoàn toàn hạn chế về độ phân giải không gian của các kỹ thuật thực nghiệm quang học hay nhiễu xạ nơtron.

Toàn bộ thuật toán được lập trình trên nền tảng Fortran 90, kết hợp phần mềm Origin 6.1 để phân tích đồ thị toán học và phần mềm Visual Molecular Dynamics (VMD) phiên bản 1.9 để trực quan hóa không gian cấu trúc. Timeline nghiên cứu kéo dài 11 tháng liên tục từ tháng 01/2018 đến tháng 12/2018, bao gồm giai đoạn hồi phục mô hình ban đầu qua 200000 bước MD tại nhiệt độ T = 2.0 để đạt trạng thái lỏng cân bằng trước khi tiến hành hạ nhiệt với các tốc độ làm lạnh khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, đồ thị năng lượng toàn phần trên mỗi nguyên tử phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ tại vùng lỏng cao T > 1.0. Khi làm lạnh ở tốc độ nhanh 10^-5 (mô hình 1 với 10000 bước MD cho mỗi khoảng giảm nhiệt độ 0.1), hệ xuất hiện sự uốn cong phi tuyến tại Tg = 0.45 đánh dấu trạng thái vô định hình. Trong khi đó, ở tốc độ làm lạnh chậm 10^-7 (mô hình 2 với 1000000 bước MD), năng lượng giảm mạnh hơn và xác định được nhiệt độ tinh thể hóa Tc = 0.56 mà không xuất hiện bước nhảy gián đoạn do ảnh hưởng của kích thước tới hạn trong hệ hai chiều.

Thứ hai, hàm phân bố xuyên tâm g(r) thể hiện sự phân hóa cấu trúc sâu sắc: ở nhiệt độ cao T = 1.9, đường cong g(r) trơn mịn với một đỉnh thấp đơn lẻ; khi làm lạnh nhanh về T = 0.1, đỉnh thứ hai của g(r) bị tách đôi rõ rệt – dấu hiệu đặc trưng của trạng thái vô định hình. Ngược lại, khi làm lạnh chậm về T = 0.1, xuất hiện hàng loạt đỉnh phụ sắc nét với cường độ cao kéo dài ở khoảng cách xa, minh chứng cho cấu trúc tinh thể có trật tự tầm xa hoàn chỉnh.

Thứ ba, nghiên cứu phát hiện cơ chế kết bó toàn diện: không chỉ các nguyên tử nhanh nhất hay chậm nhất mới kết cụm như các quan niệm trước đây, mà toàn bộ các nguyên tử có độ dịch chuyển gần nhau đều hình thành bó. Các nguyên tử linh động cao (độ dịch chuyển từ 1.5 trở lên) có xu hướng kết chuỗi dạng sợi, trong khi các nguyên tử động học thấp (độ dịch chuyển từ 0.0 đến 0.5) kết tụ thành các cụm đặc.

Thứ tư, tại nhiệt độ tinh thể hóa Tc = 0.56 của mô hình làm lạnh chậm, tỷ lệ nguyên tử hóa rắn đạt 86.61% và tăng vọt lên 100% tại T = 0.1 với kích thước bó lớn nhất Smax đạt 6357 trên 6400 nguyên tử (chiếm 99.33%). Trong khi đó, ở mô hình làm lạnh nhanh tại Tg = 0.45, tỷ lệ hóa rắn chỉ đạt 79.16% và tại T = 0.1 đạt Smax = 6048 nguyên tử (chiếm 94.50%) do vẫn tồn tại nhiều cụm nhỏ linh động xen kẽ.

Thảo luận kết quả

Các kết quả định lượng của luận văn được trực quan hóa mạch lạc thông qua hệ thống bảng số liệu và các biểu đồ phân bố: đồ thị năng lượng toàn phần theo nhiệt độ, biểu đồ hàm phân bố xuyên tâm g(r) theo bán kính r, cùng biểu đồ phân bố tỷ lệ hạt theo 10 phân khoảng độ dịch chuyển từ dưới 0.5 đến trên 4.5 sau 5000 bước MD hồi phục. Sự hình thành các đỉnh cực đại trên đồ thị tỷ lệ hạt được giải thích bởi cơ chế cạnh tranh nhiệt động học: quá trình hạ nhiệt độ làm giảm độ linh động tổng thể của hạt, trong khi thời gian hồi phục 5000 bước MD tạo điều kiện cho các nguyên tử tái sắp xếp và tích tụ thành các nhóm động học tương đồng.

Khi đối chiếu với các công trình kinh điển của Walter Kob năm 1997 và Donati - Glotzer năm 1999 trên hệ ba chiều, nghiên cứu đã chứng minh tính phổ quát của hiện tượng động học dị thường trong không gian hai chiều, đồng thời tương thích hoàn hảo với các mô hình thế Lennard-Jones-Gauss và thế Square được công bố năm 2018. Điểm đột phá nổi bật của luận văn là việc so sánh đối chuẩn trực tiếp giữa hai chế độ làm lạnh nhanh và làm lạnh chậm trên cùng một cấu hình 6400 hạt, khẳng định sự khác biệt căn bản giữa chuyển pha loại I và chuyển pha thủy tinh hóa thông qua sự tăng trưởng nhảy vọt của cụm nguyên tử rắn lân cận nhiệt độ Tc = 0.56.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, mở rộng mô hình mô phỏng sang các hệ vật liệu hai chiều dị nguyên tử (binary systems) và cấu trúc dị thể như Graphene đặt trên chất nền MoS2. Nhóm nghiên cứu vật lý tính toán tại các viện trường cần chủ động triển khai giải pháp này nhằm nâng cao độ chính xác dự đoán khuyết tật mạng lên mức trên 95% trong khung thời gian 12 tháng tới.

Thứ hai, tích hợp các trường thế tương tác đa hạt hiện đại như thế Tersoff hoặc thế AIREBO thay thế cho thế Lennard-Jones đơn thuần. Các nhà nghiên cứu lý thuyết cần thực hiện hiệu chỉnh tham số để mô tả chính xác liên kết cộng hóa trị với sai số dưới 2% cho các vật liệu Silicene và Phosphorene trước quý 4 năm sau.

Thứ ba, nâng cấp thuật toán và song song hóa mã nguồn tính toán trên nền tảng GPU. Đội ngũ lập trình viên khoa học cần chuyển đổi mã nguồn Fortran 90 sang kiến trúc CUDA C++ hoặc OpenCL trong thời hạn 6 tháng, nhằm mục tiêu mở rộng quy mô hệ mô phỏng lên hơn 100000 nguyên tử và gia tăng tốc độ xử lý gấp 20 lần so với đơn luồng CPU.

Thứ tư, ứng dụng các ngưỡng tốc độ làm lạnh định lượng vào quy trình chế tạo thực nghiệm màng nano. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ tại các phòng thí nghiệm bán dẫn cần kiểm soát tốc độ làm nguội trong khoảng 10^-7 đến 10^-5 để chủ động điều khiển tỷ lệ kết tinh màng mỏng từ 79.16% đến 99.33%, hoàn thiện quy trình kiểm chuẩn vật liệu trong vòng 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và nhà khoa học chuyên ngành Vật lý kỹ thuật, Khoa học vật liệu: Tài liệu cung cấp nền tảng lý thuyết chuyên sâu về chuyển pha cấu trúc và phương pháp mô phỏng động lực học phân tử trên hệ hai chiều 6400 hạt.

Nhóm kỹ sư phát triển vật liệu bán dẫn và linh kiện nano: Luận văn cung cấp các thông số nhiệt động học thực chứng về nhiệt độ chuyển pha Tg = 0.45 và Tc = 0.56, giúp tối ưu hóa quy trình ủ nhiệt và lắng đọng hơi hóa học (CVD) trong sản xuất màng mỏng.

Nhóm lập trình viên khoa học và chuyên gia tính toán hiệu năng cao: Tham khảo chi tiết giải thuật tích phân Verlet, phương pháp xử lý điều kiện biên tuần hoàn 2D và kỹ thuật trực quan hóa dữ liệu cấu trúc lớn bằng Fortran 90 kết hợp VMD 1.9.

Nhóm sinh viên đại học và học viên cao học ngành Công nghệ vật lý, Hóa lý thuyết: Đây là tài liệu học thuật chuẩn mực hướng dẫn phương pháp xử lý hàm phân bố xuyên tâm g(r), phân tích 10 phân khoảng độ dịch chuyển nguyên tử và quy chuẩn trình bày luận văn thạc sĩ xuất sắc.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hiện tượng động học dị thường lại đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật liệu hai chiều? Hiện tượng động học dị thường giúp làm sáng tỏ nguồn gốc vi mô của quá trình suy giảm động lực học khi chất lỏng làm lạnh nhanh. Trong mô hình 6400 hạt, việc phân tích sự tập hợp của các nhóm nguyên tử cùng độ linh động giúp lý giải chính xác bản chất chuyển pha sang vô định hình tại nhiệt độ 0.45 hoặc tinh thể hóa tại 0.56, tạo cơ sở kiểm soát cấu trúc màng nano hai chiều.

Sự khác biệt cốt lõi giữa hai tốc độ làm lạnh 10^-5 và 10^-7 trong nghiên cứu là gì? Tốc độ làm lạnh nhanh 10^-5 dẫn hệ chuyển pha sang trạng thái vô định hình với nhiệt độ chuyển pha 0.45 và tỷ lệ hóa rắn đạt 79.16%. Ngược lại, tốc độ làm lạnh chậm 10^-7 thúc đẩy quá trình tinh thể hóa trật tự tại nhiệt độ 0.56, đưa tỷ lệ hóa rắn đạt 86.61% tại điểm chuyển pha và đạt cực đại 100% tại nhiệt độ 0.1.

Điểm mới mang tính đột phá của luận văn so với các nghiên cứu tiền nhiệm là gì? Các công trình trước đây chỉ cho rằng các hạt chuyển động nhanh nhất hoặc chậm nhất mới kết bó. Luận văn chứng minh toàn bộ các nguyên tử có độ dịch chuyển tương đồng đều kết cụm. Các hạt linh động cao tạo chuỗi sợi, trong khi các hạt linh động thấp dưới 0.5 hình thành bó lớn đạt quy mô cực đại 6357 nguyên tử.

Hàm phân bố xuyên tâm g(r) phản ánh sự khác biệt cấu trúc giữa hai trạng thái như thế nào? Tại nhiệt độ 0.1, mô hình làm lạnh nhanh xuất hiện hiện tượng tách đôi ở đỉnh thứ hai của hàm g(r), minh chứng cho cấu trúc vô định hình. Trong khi đó, mô hình làm lạnh chậm hình thành các đỉnh thứ hai, thứ ba sắc nét cùng nhiều đỉnh phụ cường độ cao, phản ánh trật tự tinh thể hai chiều bền vững.

Phương pháp động lực học phân tử (MD) đem lại ưu thế gì vượt trội trong đề tài này? Phương pháp MD cho phép giải tích phân phương trình chuyển động Newton qua thuật toán Verlet với bước thời gian 0.001, giúp theo dõi tường tận tọa độ và vận tốc của 6400 nguyên tử theo thời gian thực. Kỹ thuật này giúp tính toán chính xác hàm g(r) và trực quan hóa toàn diện quá trình kết bó hạt qua phần mềm VMD.

Kết luận

• Khảo sát toàn diện cơ chế động học dị thường trên hệ Lennard-Jones hai chiều gồm 6400 nguyên tử ở mật độ diện tích 0.9 bằng phương pháp động lực học phân tử.
• Phân định rõ ràng hai cơ chế chuyển pha: vô định hình hóa ở tốc độ làm lạnh nhanh 10^-5 (Tg = 0.45) và tinh thể hóa ở tốc độ làm lạnh chậm 10^-7 (Tc = 0.56).
• Khám phá quy luật kết bó đồng thời của tất cả các nhóm nguyên tử có cùng độ dịch chuyển, mở rộng bức tranh vật lý so với các quan niệm dị thường động học cổ điển.
• Xác định tỷ lệ hóa rắn đạt 86.61% tại nhiệt độ tinh thể hóa 0.56 và quy mô kết bó cực đại chiếm tới 99.33% tổng số hạt ở nhiệt độ 0.1.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu số hóa và quy trình thuật toán Fortran 90 chuẩn mực làm nền tảng cho các nghiên cứu mô phỏng vật liệu nano hai chiều tương lai.

Công trình của tác giả Nguyễn Thị Thùy Trang đã đóng góp một bức tranh vi mô hoàn chỉnh và chuẩn xác về sự tiến hóa cấu trúc pha lỏng - rắn của hệ đơn nguyên tử hai chiều. Trong kế hoạch 12 đến 24 tháng tới, các nhóm nghiên cứu nên tiếp tục mở rộng mô hình sang các hệ màng mỏng đa thành phần và ứng dụng trực tiếp các ngưỡng tốc độ làm nguội vào thực tiễn chế tạo vật liệu nano. Hãy tìm đọc toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để khai thác trọn vẹn bộ dữ liệu và giải thuật tính toán giá trị này.

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.