Đồ án: Nghiên cứu vi cấu trúc, tính chất nhiệt động hạt nano kim loại bằng mô phỏng

Khám phá đồ án nghiên cứu vi cấu trúc, tính chất nhiệt động của hạt nano kim loại (Fe, FeB) bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

• Tác giả: Giap Thi Thuy Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Pham Khac Hung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu vi cấu trúc và tính chất nhiệt động trên các hạt nano kim loại bằng phương pháp mô phỏng
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Khái niệm và Tầm quan trọng của Mô phỏng Vi cấu trúc Hạt Nano Kim loại

Mô phỏng vi cấu trúc hạt nano kim loại là một phương pháp nghiên cứu hiện đại nhằm hiểu rõ cấu trúc nguyên tử và tính chất vật lý của các hạt có kích thước cực nhỏ. Khi kích thước hạt giảm xuống cấp nano (dưới 100 nm), các tính chất của vật liệu thay đổi đáng kể so với vật liệu khối. Các hạt nano kim loại thể hiện những đặc tính độc đặc như độ cứng cao, tính dẫn nhiệt tốt và hoạt tính hóa học lớn. Việc mô phỏng giúp các nhà khoa học dự đoán và điều chỉnh các tính chất này mà không cần thực hiện thí nghiệm tốn kém. Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc phát triển các ứng dụng công nghệ tiên tiến trong ngành vật liệu, điện tử và y sinh.

1.1. Định nghĩa Vi cấu trúc và Tính chất Nano

Vi cấu trúc của hạt nano kim loại bao gồm sự sắp xếp các nguyên tử, khoảng cách liên nguyên tử, và các khuyếm tật tinh thể. Tính chất nano phát sinh từ tỉ lệ cao giữa bề mặt và thể tích, tạo ra những hiệu ứng lượng tử độc đặc. Sự khác biệt này làm cho hạt nano có độ tan cao hơn, điểm nóng chảy thấp hơn, và hoạt tính bề mặt tăng lên.

1.2. Ứng dụng của Nghiên cứu Mô phỏng

Nghiên cứu mô phỏng cấu trúc và tính chất của hạt nano kim loại có ứng dụng rộng rãi. Trong công nghệ xúc tác, hạt nano giúp tăng hiệu suất phản ứng hóa học. Trong y sinh, chúng được dùng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Trong điện tử, hạt nano tạo nên các linh kiện có hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn.

II. Phương pháp Mô phỏng Động lực học Phân tử và Thống kê Hồi phục

Động lực học phân tử (ĐLHPT) là kỹ thuật mô phỏng chính cho việc nghiên cứu vi cấu trúc hạt nano. Phương pháp này tính toán chuyển động của các nguyên tử dựa trên lực tác dụng giữa chúng. Bằng cách giải các phương trình Newton cho mỗi nguyên tử, ta có thể theo dõi sự tiến hóa của hệ thống theo thời gian. Thống kê hồi phục (TKHP) bổ sung cho ĐLHPT bằng cách phân tích các cấu trúc được tạo ra và tính toán các tính chất nhiệt động như enthalpy, entropy và năng lượng tự do. Kết hợp hai phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu mô tả chi tiết quá trình tinh thể hóa và xác định độ bền cấu trúc ở các nhiệt độ khác nhau.

2.1. Nguyên lý Động lực học Phân tử

ĐLHPT dựa trên tính toán lực tương tác giữa các nguyên tử thông qua các hàm thế năng. Mỗi bước thời gian, vị trí và vận tốc của nguyên tử được cập nhật. Phương pháp này cho phép mô phỏng quá trình chuyển pha từ trạng thái lỏng sang rắn, quan sát cách các nguyên tử sắp xếp lại để tạo thành cấu trúc tinh thể.

2.2. Kỹ thuật Phân tích Cấu trúc

Để phân tích kết quả mô phỏng, sử dụng Hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) để xác định khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử. Số phối trí giúp đếm số lượng nguyên tử lân cận. Các kỹ thuật trực quan hóa cho phép quan sát trực tiếp cấu trúc 3D của hạt nano kim loại được mô phỏng.

III. Tính chất Nhiệt động của Hạt Nano Kim loại

Tính chất nhiệt động của hạt nano kim loại khác biệt đáng kể so với vật liệu khối do ảnh hưởng của bề mặt. Năng lượng tự do Gibbs của các hạt nano phụ thuộc vào kích thước, nhiệt độ và cấu trúc tinh thể. Khi kích thước giảm, điểm nóng chảy của hạt nano cũng giảm theo, một hiện tượng quan trọng trong công nghệ xử lý vật liệu. Quá trình tinh thể hóa xảy ra thông qua hình thành các mầm tinh thể nhỏ, sau đó phát triển thành cấu trúc lớn hơn. Các mô phỏng cho thấy rằng sự có mặt của tạp chất như Boron trong hạt nano Fe có tác dụng hạn chế sự phát triển này, ảnh hưởng đến cấu trúc cuối cùng của vật liệu.

3.1. Chuyển Pha và Tinh thể hóa

Chuyển pha từ trạng thái vô định hình sang tinh thể là quá trình quan trọng. Mô phỏng động lực học phân tử cho phép theo dõi chuyển đổi này qua tỉ phần chuyển pha theo thời gian. Lý thuyết tinh thể hóa mô tả cơ chế hình thành mầm và tốc độ phát triển tinh thể, giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc cuối cùng.

3.2. Vai trò của Boron trong Hạt nano FeB

Khi thêm Boron (Bo) vào hạt nano Fe, tính chất của vật liệu thay đổi đáng kể. Nguyên tử Bo hạn chế chuyển động của nguyên tử Fe, làm chậm quá trình tinh thể hóa. Điều này có thể tạo ra các cấu trúc nanocrystalline với các đặc tính cơ học tốt hơn, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.

IV. Ứng dụng và Triển vọng Phát triển Công nghệ Nano

Kết quả từ mô phỏng vi cấu trúc và tính chất hạt nano kim loại mở ra nhiều triển vọng ứng dụng thực tiễn. Trong công nghệ xúc tác, hạt nano kim loại với diện tích bề mặt lớn tăng hiệu suất xúc tác hóa học. Trong y sinh, chúng được sử dụng làm thuốc phóng xạ, dụng cụ chẩn đoán hình ảnh và phương tiện giao thoa thuốc. Trong vật liệu xây dựng, hạt nano tăng độ bền và độ dẻo dai. Các nghiên cứu mô phỏng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và thiết kế các hạt nano có tính chất mong muốn, giảm chi phí thí nghiệm và tăng tốc độ phát triển công nghệ mới.

4.1. Ứng dụng trong Xúc tác và Xử lý Môi trường

Hạt nano kim loại với vi cấu trúc đặc biệt là những xúc tác hiệu quả cho các phản ứng hóa học. Chúng được dùng để xử lý khí thải, khử độc chất bẩn và sản xuất hóa chất. Sự hiểu biết về tính chất thông qua mô phỏng giúp chọn lựa loại nano và điều kiện phản ứng tối ưu.

4.2. Tương lai Nghiên cứu và Phát triển

Tương lai của mô phỏng vi cấu trúc hạt nano hướng tới việc kết hợp các phương pháp tính toán tiên tiến như machine learning. Này sẽ cho phép dự đoán nhanh chóng tính chất của các hạt nano mới mà không cần mô phỏng toàn bộ. Các hệ thống tính toán hiệu năng cao sẽ cho phép mô phỏng các hạt lớn hơn và phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU.1 Phương pháp mô phỏng ĐLHPT và thống kê hồi phục.1 Phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT).2 Phương pháp thống kê hồi phục (TKHP).2 Lý thuyết chuyển pha.1 Nhiệt động học chuyển pha.2 Động học chuyển pha.3 Lý thuyết tinh thể hóa.1 Nhiệt động học về sự tinh thể hóa.2 Động học về tinh thể hóa.4 Đặc điểm cấu trúc và tính chất của các hạt nano kim loại.1 Các tính chất cơ bản của hạt nano.2 Ứng dụng của hạt nano.3 Cấu trúc và tính chất nhiệt động của các hạt nano kim loại và hợp kim 28 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN.1 Xây dựng mô hình động lực học phân tử.2 Kích thước của mô hình.3 Điều kiện biên tuần hoàn.4 Các thông số của mô hình.2 Xây dựng mô hình động lực học phân tử của hạt nano Fe.3 Xây dựng mô hình động lực học phân tử của hạt nano FeB.4 Phân tích các đặc trưng vi cấu trúc, tính chất của vật liệu. Hàm phân bố xuyên tâm.2 Số phối trí.3 Kĩ thuật trực quan hóa các đặc trưng cấu trúc. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.1 Vi cấu trúc và tính chất nhiệt động của hạt nano Fe.2 Vi cấu trúc và tính chất nhiệt động của hạt nano FexB100-x.1 Cơ chế tinh thể hóa và vai trò của nguyên tử Bo trong quá trình tinh thể hóa hạt nano FexB100-x.2 Cấu trúc địa phương của hạt nano Fe90B10 và Fe95B5.62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.67 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TKHP Thống kê hồi phục ĐLHPT Động lực học phân tử HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm Nguyên tử Cr Nguyên tử tinh thể Nguyên tử CC Nguyên tử tinh thể ở trong vùng có cấu trúc tinh thể Nguyên tử CB Nguyên tử tinh thể ở vùng biên giữa pha tinh thể và pha VĐH Nguyên tử CV Nguyên tử tinh thể không ở vùng biên giữa pha tinh thể và pha VĐH Nguyên tử Am Nguyên tử vô định hình Nguyên tử AB Nguyên tử vô định hình ở vùng biên giữa pha tinh thể và pha VĐH Nguyên tử AV Nguyên tử vô định hình không ở vùng biên giữa pha tinh thể và pha VĐH SPT Số phối trí VĐH Vô định hình NP Hạt nano MEPA Thế năng trung bình của 1 nguyên tử v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.

Sự thay đổi năng lượng tự do theo nhiệt độ của hai pha α và β 10 Hình 1. Sự phụ thuộc tỉ phần vật chất chuyển pha theo thời gian ở các 12 nhiệt độ khác nhau (a) và biểu đồ động học chuyển pha (b) Hình 1. Sự thay đổi năng lượng tự do của mầm đồng nhất theo kích 16 thước (a) và phụ thuộc vào nhiệt độ (b) Hình 1.4 Sự hình thành mầm tinh thể không đồng nhất 17 Hình 1.5 Sự biến đổi năng lượng tự do phụ thuộc vào kích thước của 19 đám Hình 1.6 Sự biến đổi năng lượng của nguyên tử trong quá trình chuyển 20 pha Hình 1.7 Sự tạo mầm của đám nguyên tử có kích thước tới hạn 21 Hình 1.8 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ tạo mầm (a) và tốc độ 23 phát triển mầm (b) Hình 1.9 Cơ chế phát triển tinh thể theo lớp 24 Hình 1.10 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ chuyển pha (a); và của 24 thời gian chuyển pha (b) Hình 1.11 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian của tỉ phần chuyển pha 25 Hình 2. Đồ thị biểu diễn thế tương tác giữa các nguyên tử 34 Hình 2.2 Hình ảnh mô tả vật liệu có điều kiện biên tuần hoàn 35 Hình 2.3 Mô hình hạt nano Fe 38 Hình 2.4 Hình vẽ minh họa cách xác định nguyên tử tinh thể trong hạt 39 nano Fe, trong đó: quả cầu mầu đỏ biểu diễn nguyên tử có 14 nguyên tử lân cận; quả cầu mầu xanh biểu diễn các nguyên tử có 4 lân cận chung; quả cầu mầu xám biểu diễn các nguyên tử có 6 lân cận chung.5 Thế Pak-Doyama của các cặp nguyên tử Fe-Fe, Fe-B và B-B 40 phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử vi Hình 2.6 Sơ đồ minh họa của hạt nano; ở đây các hình tròn màu đỏ, 41 xanh dương, đen và xám tương ứng biểu diễn cho nguyên tử CV, CB, AB và AV Hình 2.7 Minh họa sự xác định HPBXT đối với hạt nano (A); 44 Lõi và bề mặt hạt nano (B); Ba vùng trong hạt nano (C).

Sự phụ thuộc của số lượng nguyên tử Cr vào bước ủ đối với 48 mẫu 900 Hình 3. Các HPBXT được xác định trong giai đoạn đầu tiên (1) và 48 trong giai đoạn thứ ba (3). A) Số lượng nguyên tử Cr được phát hiện trong 3.106 bước ở 49 giai đoạn đầu tiên; B) số lượng nguyên tử Cr được ghi lại trong khoảng thời gian này. Ảnh chụp sự sắp xếp các nguyên tử Cr: A) NCr = 188; B) NCr = 50 568; C) NCr = 1651; D)NCr = 4440; E) NCr = 6162; F) NCr = 8907 Hình 3.

MEPA của các loại nguyên tử khác nhau phụ thuộc vào số 51 bước cho các đám tinh thể kích thước khác nhau: A) NCr = 15- 85 nguyên tử; B) NCr = 600-700 nguyên tử; C) NCr = 4100- 4400 nguyên tử; D) NCr = 8900-9100 nguyên tử. Sự phụ thuộc của MEPA vào số lượng nguyên tử Cr trong đám 52 tinh thể Hình 3.7 Số nguyên tử tinh thể NCr phụ thuộc vào thời gian đối 53 với mẫu Fe95B5 được ủ ở 900 K Hình 3. HPBXT của mẫu Fe95B5 , nhiệt độ 900 K ở giai đoạn thứ 3 là 54 đường (1) và ở giai đoạn 1 là đường (2) Hình 3. Ảnh phân bố không gian của các nguyên tử tinh thể ở lõi được 55 xác định trong sáu khoảng thời gian.

Minh họa hạt nano: A) Hai phần của hạt nano: lõi là một hình 56 cầu có bán kính 20Å ; bề mặt là một lớp cầu có độ dày 8Å; B, C, D) Sự tiến hóa theo thời gian của cụm tinh thể; E) Cụm tinh thể và lớp vỏ của nó (vùng biên) Hình 3. Ảnh chụp về sự phân bố của các CB-atoms, CV-atoms trong 57 giai đoạn thứ hai tại ba thời điểm t1(A), t2(B), t3(C) Hình 3. Ảnh chụp các nguyên tử Am trong lõi (bến trái) và vỏ (bên 58 phải) hạt nano Fe95B5 thu được ở thời điểm cuối giai đoạn thứ ba. Năng lượng ECr, EAm, ECB và EAB phụ thuộc vào thời gian 60 Hình 3.

HPBXT cho hai mẫu Fe90B10 được ủ ở 900K: 1) nguyên tử B 61 phân bố đồng đều trong không gian hạt nano; 2)Nguyên tử B phân bố chủ yếu ở bề mặt hạt nano Hình 3. Ảnh chụp sắp xếp nguyên tử ở bề mặt (A) và lõi (B) cho mẫu 63 Fe95B5 vô định hình; trên bề mặt (C) và lõi (D) cho mẫu Fe90B10 vô định hình. Quả cầu màu xanh và đỏ tương ứng là nguyên tử Bo và sắt. Ảnh chụp sắp xếp nguyên tử cho mẫu Fe 95B5 tinh thể: A) các 64 nguyên tử Am trong lõi; B) Nguyên tử Am ở bề mặt; C) Nguyên tử Cr; và đối với mẫu Fe 90B10 tinh thể: D) Các nguyên tử Am trên bề mặt; E) Các nguyên tử Am trong lõi; F) Nguyên tử Cr.

Hình cầu màu xanh và màu đỏ tương ứng là các nguyên tử Bo và sắt. viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2. Các hệ số của thế tương tác cặp Pak-Doyama đối với 37 hệ hạt nano Fe Bảng 2. Hệ số của thế tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama 40 đối với hệ hạt nano Fe-B Bảng 3.

Số bước <tCV> và số nCV nhận được trong 6 khoảng thời gian.2 Các đặc điểm của bốn mẫu hạt nano; core/ surface tương 62 ứng là mật độ số nguyên tử ở lõi và bề mặt; ZFe-Fe, ZFe-B tương ứng là số phối trí trung bình của cặp Fe-Fe và Fe-B. ix ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu vi cấu trúc và tính chất nhiệt động trên các hạt nano kim loại bằng phương pháp mô phỏng - Mã số: ĐH2017-TN04-06 - Chủ nhiệm đề tài: ThS. Giáp Thị Thùy Trang - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ tháng 1 năm 2017 đến tháng 12 năm 2018) 2.

Mục tiêu - Xây dựng và phân tích được cấu trúc các hạt nano kim loại Fe và Fe xB100-x thông qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), phân bố số phối trí (SPT), sử dụng trực quan hóa 3 chiều và khảo sát số lượng các loại đơn vị cấu trúc và mầm nano tinh thể. - Cố gắng đưa ra được cơ sở lý thuyết để có thể giải thích thỏa đáng về vi cấu trúc, và một số tính chất nhiệt động trên các hạt nano kim loại. Tính mới và sáng tạo: - Nghiên cứu đã chỉ ra sự lớn lên của đám tinh thể trong quá trình tinh thể hóa bắt nguồn từ sự sắp xếp lại các nguyên tử trong vùng biên giữa pha vô định hình và pha tinh thể và dẫn đến sự giảm năng lượng của hạt nano. - Khảo sát với hạt nano Fe xB100-x nồng độ Bo cao, chúng tôi xét hai mẫu hạt nano Fe90B10 ở nhiệt độ 900 K, kết quả mô phỏng chỉ ra sự tinh thể hóa phụ thuộc mạnh vào cách tạo các hạt nano này.

Điều này là do nguyên tử Bo đã cản trở quá trình tinh thể hạt nano FexB100-x. Kết quả nghiên cứu: x - Bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, chúng tôi đã tạo ra được các hạt nano Fe, Fe-B có dạng hình cầu với thế tương tác cặp Pak - Doyama, lần lượt chứa 10000, 5000 nguyên tử ở các nhiệt độ 300 K và 900 K. Chúng tôi cũng đã khảo sát được những đặc trưng về cấu trúc và tính chất nhiệt động của các hạt nano này. - Mô phỏng chỉ ra, khi các hạt nano Fe và Fe95B5 VĐH (nồng độ B nhỏ) được ủ nhiệt trong một thời gian đủ dài (cỡ khoảng 10 7 bước ĐLHPT) ở nhiệt độ 900 K, thì chúng tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể bcc.

Cơ chế tinh thể hóa trong hạt nano diễn ra như sau: (i) Ở giai đoạn đầu các đám tinh thể nhỏ hình thành, phân bố đều khắp trong hạt nano và nhanh chóng bị biến mất; (ii) Sau thời gian ủ đủ dài, các đám tinh thể ổn định đã được tạo ra trong lõi của hạt nano, các đám này phát triển nhanh theo mọi hướng bao phủ lõi và sau đó lan ra gần bề mặt hạt nano. (iii) Khi quá trinh tinh thể hoàn thành, hạt nano tinh thể bao gồm: phần lõi là tinh thể Fe bcc và phần vỏ có cấu trúc xốp vô định hình.