I. Cấu trúc vật liệu SiO2
Cấu trúc vật liệu SiO2 là một trong những chủ đề trọng tâm của luận án. SiO2 tồn tại ở nhiều dạng thù hình như α-quartz, β-quartz, α-tridymite, β-tridymite, α-cristobalite, và β-cristobalite. Cấu trúc tinh thể của SiO2 được hình thành từ các tứ diện SiO4, liên kết với nhau thông qua nguyên tử ôxy dùng chung. Ở trạng thái vô định hình (VĐH), SiO2 là một mạng ngẫu nhiên của các tứ diện SiO4, với các nguyên tử Si liên kết với nguyên tử O ở khoảng cách 1.62 Å. Khi áp suất tăng, cấu trúc SiO2 thay đổi từ trạng thái mật độ thấp sang mật độ cao, với sự xuất hiện của các đơn vị phối trí (ĐVPT) SiO5 và SiO6.
1.1. Hiện tượng đa thù hình
Hiện tượng đa thù hình của vật liệu SiO2 được nghiên cứu kỹ lưỡng trong luận án. Các dạng thù hình như α-quartz và β-quartz chuyển đổi lẫn nhau khi nhiệt độ thay đổi. Ở áp suất cao, SiO2 chuyển từ cấu trúc tứ diện sang cấu trúc lục giác, với sự xuất hiện của các ĐVPT SiO5 và SiO6. Điều này được chứng minh qua các mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) và thực nghiệm tán xạ tia X.
1.2. Ảnh hưởng của áp suất
Áp suất có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc vật liệu SiO2. Khi áp suất tăng, cấu trúc SiO2 chuyển từ trạng thái mật độ thấp (chủ yếu là SiO4) sang mật độ cao (với sự xuất hiện của SiO5 và SiO6). Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra rằng, ở áp suất trên 40 GPa, SiO2 chủ yếu tồn tại ở dạng SiO6.
II. Động học vật liệu SiO2
Động học vật liệu SiO2 được nghiên cứu để hiểu rõ các hiện tượng như khuếch tán, động học không đồng nhất, và thuyên giảm động học. Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng ĐLHPT để phân tích sự chuyển đổi giữa các ĐVPT và quá trình tạo đám của các nguyên tử. Kết quả cho thấy, khuếch tán trong SiO2 không chỉ là quá trình chuyển đổi giữa các ĐVPT mà còn liên quan đến sự dịch chuyển của nhóm nguyên tử.
2.1. Khuếch tán và động học không đồng nhất
Hiện tượng khuếch tán trong vật liệu SiO2 được giải thích thông qua sự chuyển đổi giữa các ĐVPT. Các chuyển đổi có ích giữa các ĐVPT là yếu tố quan trọng dẫn đến khuếch tán. Động học không đồng nhất được gây ra bởi sự phân bố không đồng nhất của các chuyển đổi trong không gian.
2.2. Thuyên giảm động học
Thuyên giảm động học trong vật liệu SiO2 được nghiên cứu thông qua lý thuyết Adam-Gibbs. Sự tồn tại của các vùng tự sắp xếp trong cấu trúc SiO2 là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này. Các mô phỏng ĐLHPT đã chứng minh rằng, sự dịch chuyển của nhóm nguyên tử là yếu tố quan trọng trong quá trình thuyên giảm động học.
III. Cấu trúc vật liệu MgSiO3
Cấu trúc vật liệu MgSiO3 được nghiên cứu để hiểu rõ sự thay đổi cấu trúc khi áp suất thay đổi. Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng ĐLHPT để xây dựng các mẫu MgSiO3 và phân tích cấu trúc thông qua hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) và phân bố góc. Kết quả cho thấy, MgSiO3 tồn tại các vùng Si và Mg riêng biệt, ứng với hiện tượng tách pha vi mô.
3.1. Hiện tượng tách pha vi mô
Hiện tượng tách pha vi mô trong vật liệu MgSiO3 được nghiên cứu thông qua sự phân bố của các ĐVPT SiOx và MgOy. Khi áp suất thay đổi, các vùng Si và Mg tách biệt rõ ràng, dẫn đến sự hình thành các pha vi mô khác nhau.
3.2. Ảnh hưởng của áp suất
Áp suất có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc vật liệu MgSiO3. Khi áp suất tăng, cấu trúc MgSiO3 thay đổi từ trạng thái mật độ thấp sang mật độ cao, với sự xuất hiện của các ĐVPT SiO5 và SiO6. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra rằng, ở áp suất cao, MgSiO3 chủ yếu tồn tại ở dạng SiO6.
IV. Động học vật liệu MgSiO3
Động học vật liệu MgSiO3 được nghiên cứu để hiểu rõ các hiện tượng như khuếch tán và động học không đồng nhất. Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng ĐLHPT để phân tích sự chuyển đổi giữa các ĐVPT và quá trình tạo đám của các nguyên tử. Kết quả cho thấy, khuếch tán trong MgSiO3 liên quan đến sự dịch chuyển của nhóm nguyên tử và sự chuyển đổi giữa các ĐVPT.
4.1. Khuếch tán và động học không đồng nhất
Hiện tượng khuếch tán trong vật liệu MgSiO3 được giải thích thông qua sự chuyển đổi giữa các ĐVPT. Các chuyển đổi có ích giữa các ĐVPT là yếu tố quan trọng dẫn đến khuếch tán. Động học không đồng nhất được gây ra bởi sự phân bố không đồng nhất của các chuyển đổi trong không gian.
4.2. Thuyên giảm động học
Thuyên giảm động học trong vật liệu MgSiO3 được nghiên cứu thông qua lý thuyết Adam-Gibbs. Sự tồn tại của các vùng tự sắp xếp trong cấu trúc MgSiO3 là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này. Các mô phỏng ĐLHPT đã chứng minh rằng, sự dịch chuyển của nhóm nguyên tử là yếu tố quan trọng trong quá trình thuyên giảm động học.
