MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu ôxit như SiO2, GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO. là các thành phần chủ yếu tồn tại trong lòng Trái đất ở trạng thái lỏng và vô định hình ở áp suất cao. Cấu trúc và phân bố của chúng trong lòng đất như thế nào vẫn còn nhiều bí mật.
Do đó, nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu này ở các điều kiện tương đương sẽ giúp chúng ta hiểu biết một cách rõ ràng về các tính chất vật lý cũng như các hoạt động địa chấn trong khoa học Trái đất, ứng dụng trong các dự đoán về thảm họa và thiên tai. Bên cạnh đó, SiO2, GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO.2SiO2 đều là các vật liệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp điện tử, chế tạo gốm sứ, thủy tinh mỹ nghệ. Hiểu biết về cấu trúc và các yếu tố ảnh hưởng lên đặc tính của chúng sẽ góp phần không nhỏ trong việc tối ưu hóa quá trình chế tạo vật liệu để tạo ra các vật liệu có các tính chất mong muốn. Một ứng dụng rất quan trọng hiện nay của các vật liệu này là lưu trữ các kim loại độc hại, các đồng vị phóng xạ trong rác thải hạt nhân thông qua phương pháp thủy tinh hóa.
Việc tối ưu hóa về thành phần để tạo ra các hệ thủy tinh có cấu trúc bền vững và lưu trữ được một lượng lớn các chất thải độc hại là một chủ đề đang được nhiều nhà khoa học và các chính phủ quan tâm. Cơ cấu tổ chức thủy tinh silicat, topo mạng Si-O cũng như lượng ôxy không cầu (NBO - các nguyên tử ôxy có số phối trí bằng 1) trong mạng Si-O là những thông số quan trọng cần được làm rõ để có thể ứng dụng các ôxit trong công nghệ này. Mặc dù, cấu trúc của các ôxit hai nguyên và ba nguyên như SiO2, GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO. đã được nghiên cứu trong một thời gian dài nhưng những hiểu biết về các đặc điểm và thông số như đã nêu vẫn còn đang được tranh luận trên thế giới và rất mới mẻ tại Việt Nam hiện nay.
Đó chính là lý do và động lực để nghiên cứu sinh thực hiện luận án này. Mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu cấu trúc pha trung gian của các vật liệu ôxit vô định hình, thủy tinh và lỏng ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau; nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố điều chỉnh mạng và nguyên tố trung gian 8 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep đến cấu trúc mạng Si-O định hướng ứng dụng trong xử lý các kim loại độc hại và rác thải hạt nhân. Ở các điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học khác nhau, cấu trúc của các ôxit hai nguyên và ba nguyên (GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO.2SiO2) xảy ra sự chuyển đổi cấu trúc sang các pha cấu trúc khác so với pha cấu trúc ban đầu của hệ. Các pha cấu trúc này còn được gọi là pha trung gian.
Đây chính là đối tượng nghiên cứu chính của luận án này. Phạm vi nghiên cứu của luận án là: 1, Đặc trưng cấu trúc của GeO2 lỏng và CaO.SiO2 thủy tinh ở áp suất cao; 2, Vai trò của các nguyên tố điều chỉnh mạng và nguyên tố trung gian trong mạng Si-O. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) để xây dựng các mẫu vật liệu ôxit GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO. Đặc điểm cấu trúc của các vật liệu này được làm rõ thông qua các phương pháp phân tích cấu trúc như: Hàm phân bố xuyên tâm, Số phối trí, Phân bố khoảng cách và phân bố góc liên kết, Phân tích liên kết góc – cạnh –mặt, Phân tích ôxy không cầu (NBO) và ôxy cầu (BO); Phân tích các loại liên kết tricluster A-O-B, Phân tích đám (đám TOx, OTy, đám liên kết chung cạnh, góc, mặt.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các kết quả của luận án góp phần làm phong phú thêm cơ sở dữ liệu về các vật liệu ôxit GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO.2SiO2 thủy tinh và lỏng ở áp suất cao. Đặc điểm cấu trúc của các vật liệu ôxit ở trạng thái lỏng và thủy tinh dưới áp suất cao sẽ đóng góp một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa về thành phần và chế biến thủy tinh cũng như hiểu rõ hơn các hoạt động địa chấn trong khoa học Trái đất. Đặc biệt, sự hiểu biết cấu trúc mạng Si-O của thủy tinh silicat rất hữu ích trong việc ứng dụng thủy tinh hóa các chất thải nguy hại. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã khảo sát sự chuyển đổi cấu trúc của mạng GeO2 lỏng và CaO.SiO2 thủy tinh trong dải áp suất 0÷100 GPa, sự phân bố kích thước các đám GeO5/SiO5 và 9 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep GeO6/SiO6, các đám liên kết chung cạnh và chung mặt, trong đó tồn tại các đa diện cô lập ở bên trong các đám cấu trúc khác, đây có thể được coi là các khuyết tật.
Tất cả những điều này cho thấy tính đa hình và không đồng nhất trong cấu trúc của GeO2 và CaO. Lần đầu tiên đã giải thích nguồn gốc của sự phân tách đỉnh đầu tiên trong hàm phân bố xuyên tâm của cặp Ge-Ge và Si-Si ở áp suất cao. Điều này mở ra khả năng có thể nhận biết được sự chuyển pha cấu trúc bằng cách đo đạc. Đã khảo sát sự khác nhau trong cấu trúc mạng của silicat CaO.2SiO2 so với mạng silica (SiO2).
Qua đó, luận án đã làm rõ hơn vai trò của các nguyên tố điều chỉnh mạng và nguyên tố trung gian trong mạng Si-O, giải thích cơ chế cố định các ion kim loại trong mạng silica. Từ đó định hướng ứng dụng trong việc xử lý chất thải nguy hại bằng cách cố định các nguyên tố độc hại ở dạng thủy tinh. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận án được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan (Trình bày một cách tóm tắt các nghiên cứu hiện nay về ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc mạng của các vật liệu ôxit, ứng dụng của mạng thủy tinh trong việc xử lý rác thải hạt nhân …) Chương 2. Phương pháp tính toán (Trình bày cách xây dựng mô hình ĐLHPT cho các vật liệu GeO2, CaO.SiO2, SiO2, MgO.
Các phương pháp xác định và phân tích cấu trúc của các mẫu đã xây dựng) Chương 3: Ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc của các vật liệu ôxit (Trình bày về đặc điểm cấu trúc của vật liệu GeO2 và CaO.SiO2 trong các điều kiện áp suất thay đổi; phân tích sự thay đổi của vi cấu trúc làm xuất hiện sự tách đỉnh thứ nhất trong hàm phân bố xuyên tâm của cặp Ge-Ge/Si-Si của hệ GeO2/CaO.SiO2 khi áp suất thay đổi) Chương 4: Vai trò của các nguyên tố điều chỉnh mạng và nguyên tố trung gian trong mạng Si-O (Trình bày sự khác nhau trong cấu trúc của hệ MgO.SiO2, SiO2, 10 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep Al2O3. Phân tích các loại liên kết OTy để làm rõ hơn cơ chế chứa các ion kim loại trong mạng Si-O) Luận án đã tham khảo 96 tài liệu. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trong 04 công trình trên các tạp chí ISI: Journal of Non-Crystalline Solids (1 bài), Materials Research Express (2 bài ), The European Physical Journal B (1 bài).