Luận án tiến sĩ vật lý: Khảo sát hiện tượng nóng chảy hạt nano sử dụng phương pháp động lực học phân tử

• Tác giả: Lê Văn Sáng
• Người hướng dẫn: GS. Võ Văn Hoàng
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên - Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết
• Đề tài: Khảo sát hiện tượng nóng chảy hạt nano bằng phương pháp động lực học phân tử
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NHỮNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY
• 1.1. Các tiêu chuẩn nóng chảy
• 1.1.1. Tiêu chuẩn Lindemann
• 1.1.2. Tiêu chuẩn Born
• 1.1.3. Loại chuyển pha của nóng chảy
• 1.1.4. Hiện tượng đồng tồn tại hai pha của nóng chảy
• 1.1.5. Hiện tượng nóng chảy bề mặt
• 1.1.6. Sự phụ thuộc vào kích thước hạt nano của nhiệt độ nóng chảy
• 1.1.7. Hai cơ chế của nóng chảy
• 1.1.8. Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy
• 1.1.9. Những ứng dụng của hạt nano
• 1.1.10. Những vấn đề tồn tại
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC CHI TIẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ PHỎNG
• 2.1. Mô hình hạt nano
• 2.2. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử
• 2.2.1. Mô phỏng động lực học phân tử trên máy tính
• 2.2.2. Thuật toán Verlet
• 2.2.3. Điều chỉnh nhiệt độ trong mô phỏng
• 2.2.4. Chọn bước thời gian trong mô phỏng
• 2.2.5. Chọn thế năng trong mô phỏng
• 2.2.6. Các điều kiện biên của hệ
• 2.2.7. Điều kiện mô phỏng NVT
• 2.3. Một số đại lượng vật lý được khảo sát trong mô phỏng
• 2.3.1. Thế năng và nhiệt dung riêng
• 2.3.2. Trung bình bình phương độ dịch chuyển, chỉ số Lindemann và hệ số khuếch tán
• 2.3.3. Mật độ khối lượng lớp
• 2.3.4. Hàm phân bố xuyên tâm và số phối vị
• 2.3.5. Thông số trật tự liên kết
• 2.3.6. Bán kính hạt nano
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO ĐƠN NGUYÊN TỬ FCC LENNARD-JONES
• 3.1. Hạt nano Lennard-Jones và thế tương tác Lennard-Jones
• 3.2. Mô hình và tính toán
• 3.3. Kết quả và thảo luận
• 3.3.1. Nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy
• 3.3.2. Cơ chế nguyên tử của quá trình nóng chảy
• 3.3.3. Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO KCl
• 4.1. Hạt nano KCl và thế tương tác Born-Mayer
• 4.2. Mô hình và tính toán
• 4.3. Kết quả và thảo luận
• 4.3.1. Nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy
• 4.3.2. Cơ chế nguyên tử của hiện tượng nóng chảy
• 4.3.3. Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy
• 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO Si
• 5.1. Hạt nano tinh thể Si và thế tương tác Stillinger-Weber
• 5.2. Mô hình và tính toán
• 5.3. Kết quả và thảo luận
• 5.3.1. Những tính chất nhiệt động lực của nóng chảy
• 5.3.2. Cơ chế nguyên tử của nóng chảy
• 5.3.3. Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển của luận án
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khảo sát hiện tượng nóng chảy

Hiện tượng nóng chảy là một trong những quá trình chuyển pha quan trọng trong vật lý. Nghiên cứu về hiện tượng nóng chảy của hạt nano đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. Các nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về bản chất của nóng chảy, mà còn mở ra những ứng dụng mới trong công nghệ vật liệu. Đặc biệt, phương pháp động lực học phân tử đã trở thành công cụ hữu hiệu để khảo sát các cơ chế nguyên tử trong quá trình này. Các yếu tố như kích thước hạt, cấu trúc bề mặt và thế năng tương tác giữa các nguyên tử đều ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy và cơ chế chuyển pha của hạt nano. Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng nóng chảy bề mặt và hiện tượng đồng tồn tại hai pha là những vấn đề cần được khảo sát kỹ lưỡng.

1.1 Tiêu chuẩn nóng chảy

Tiêu chuẩn Lindemann và Born là hai tiêu chuẩn quan trọng trong nghiên cứu nóng chảy. Tiêu chuẩn Lindemann cho rằng nóng chảy xảy ra khi biên độ dao động nhiệt của các nguyên tử đạt một giá trị tới hạn. Điều này có nghĩa là khi khoảng cách giữa các nguyên tử tăng lên, sự ổn định của mạng tinh thể bị phá vỡ. Tiêu chuẩn Born lại tập trung vào ứng suất biến dạng trượt của chất rắn, cho rằng điểm nóng chảy là nhiệt độ mà tại đó độ cứng của chất rắn tiến đến không. Những tiêu chuẩn này đã được kiểm chứng qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, cho thấy tính khả thi và ứng dụng rộng rãi trong việc dự đoán nhiệt độ nóng chảy của các hệ vật liệu khác nhau.

II. Các chi tiết tính toán trong mô phỏng

Phương pháp động lực học phân tử (MD) đã được áp dụng để mô phỏng quá trình nóng chảy của hạt nano. Mô hình hạt nano được xây dựng dựa trên các thế tương tác như Lennard-Jones, Born-Mayer và Stillinger-Weber. Các điều kiện biên và bước thời gian trong mô phỏng được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Các đại lượng vật lý như thế năng, nhiệt dung riêng, và chỉ số Lindemann được khảo sát để phân tích quá trình nóng chảy. Kết quả từ mô phỏng cho thấy sự thay đổi cấu trúc bên trong của hạt nano trong quá trình nóng chảy là rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước và cấu trúc của hạt.

2.1 Mô hình hạt nano

Mô hình hạt nano được xây dựng dựa trên các nguyên tắc vật lý cơ bản và các thế tương tác giữa các nguyên tử. Hệ thống hạt nano đơn nguyên tử fcc Lennard-Jones được chọn làm mô hình đại diện cho các hạt nano có cấu trúc lập phương tâm mặt. Các thông số như nhiệt độ, áp suất và thể tích được điều chỉnh để mô phỏng chính xác quá trình nóng chảy. Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng nhiệt độ nóng chảy của hạt nano phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước và cấu trúc của hạt, điều này có thể giải thích bằng các cơ chế nguyên tử diễn ra trong quá trình chuyển pha.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng hạt nano có cấu trúc fcc Lennard-Jones có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các vật liệu khối. Sự khác biệt này có thể được giải thích bởi sự ảnh hưởng của bề mặt và các yếu tố vi mô khác. Hiện tượng nóng chảy bề mặt diễn ra trước, sau đó là sự chuyển đổi từ pha rắn sang pha lỏng ở bên trong hạt. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cơ chế nguyên tử của nóng chảy trong hạt nano rất khác biệt so với các vật liệu lớn, với sự xuất hiện của các mầm nguyên tử lỏng trong quá trình nung nóng. Những phát hiện này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các vật liệu nano mới.

3.1 Nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy

Nghiên cứu về nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy cho thấy rằng các yếu tố như nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng lớn đến sự chuyển pha. Các mô phỏng cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử trong hạt nano bắt đầu dao động mạnh mẽ, dẫn đến sự phá vỡ cấu trúc mạng tinh thể. Sự thay đổi này không chỉ ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy mà còn đến các tính chất vật lý khác của hạt nano. Những kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa các vật liệu nano cho các ứng dụng công nghệ cao.