intTypePromotion=3
Array
(
    [0] => Array
        (
            [banner_id] => 140
            [banner_name] => KM1 - nhân đôi thời gian
            [banner_picture] => 964_1568020473.jpg
            [banner_picture2] => 839_1568020473.jpg
            [banner_picture3] => 620_1568020473.jpg
            [banner_picture4] => 994_1568779877.jpg
            [banner_picture5] => 
            [banner_type] => 8
            [banner_link] => https://tailieu.vn/nang-cap-tai-khoan-vip.html
            [banner_status] => 1
            [banner_priority] => 0
            [banner_lastmodify] => 2019-09-18 11:11:47
            [banner_startdate] => 2019-09-11 00:00:00
            [banner_enddate] => 2019-09-11 23:59:59
            [banner_isauto_active] => 0
            [banner_timeautoactive] => 
            [user_username] => sonpham
        )

)

Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử

Chia sẻ: Comam1902 Comam1902 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

0
9
lượt xem
3
download

Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chúng tôi sử dụng mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) để nghiên cứu các hiện tượng động học trong hệ SiO2 lỏng. Các hiện tượng động học được phân tích thông qua cơ chế chuyển đổi giữa các ô phối trí SiOx->SiOx+-1 và OSiy->OSiy+-1. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các chuyển đổi chỉ xảy ra thường xuyên với một vài ô phối trí và có mối tương quan với nhau.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử

HNUE JOURNAL OF SCIENCE<br /> Natural Sciences 2018, Volume 63, Issue 3, pp. 74-79<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1059.2018-0007<br /> <br /> NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐỘNG HỌC TRONG HỆ SiO2<br /> BẰNG MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ<br /> <br /> Luyện Thị San<br /> Viện Vật lí Kĩ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội<br /> Tóm tắt. Chúng tôi sử dụng mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) để nghiên cứu các<br /> hiện tượng động học trong hệ SiO2 lỏng. Các hiện tượng động học được phân tích thông qua<br /> cơ chế chuyển đổi giữa các ô phối trí SiOxSiOx1 và OSiyOSiy1. Kết quả nghiên cứu chỉ<br /> ra rằng các chuyển đổi chỉ xảy ra thường xuyên với một vài ô phối trí và có mối tương quan<br /> với nhau. Quá trình phá vỡ và hồi phục của các liên kết xảy ra không đồng nhất trong không<br /> gian. Sự xuất hiện các đám không chuyển đổi là nguyên nhân gây ra hiện tượng thuyên giảm<br /> động học khi nhiệt độ của hệ tiến gần tới nhiệt độ chuyển pha Tg.<br /> Từ khóa: Mô phỏng động lực học phân tử, ô phối trí, hệ SiO2 lỏng, thuyên giảm động học.<br /> <br /> 1. Mở đầu<br /> Các chất lỏng có cấu trúc mạng khi được làm lạnh nhanh xuống dưới nhiệt độ nóng chảy sẽ<br /> hình thành trạng thái thái vô định hình ở nhiệt độ Tg gọi là nhiệt độ chuyển pha. Càng gần tới nhiệt<br /> độ chuyển pha, động học của các chất lỏng này bị thuyên giảm đột ngột trong khi phạm vi nhiệt<br /> độ rất nhỏ [1-3] trong khi cấu trúc của vật liệu chỉ có những thay đổi rất nhỏ. Cơ chế gây ra hiện<br /> tượng thuyên giảm động học vẫn chưa được làm rõ. Quan sát chuyển động của các hạt keo chỉ ra<br /> rằng càng gần tới nhiệt độ chuyển pha, chuyển động của các hạt dường như có mối tương quan<br /> với nhau và các hạt keo linh động không di chuyển theo cùng hướng. Tồn tại các vùng tự sắp xếp<br /> gồm các hạt keo linh động [4]. Các nghiên cứu mô phỏng gần đây cho các hệ Lennard –Jones đã<br /> tìm thấy các bằng chứng cho hiện tượng không đồng nhất động học [5, 6]. Sử dụng trực quan hóa,<br /> các công trình [7, 8] đã quan sát thấy tập hợp các nguyên tử linh động và không linh động nhất và<br /> chúng có xu hướng kết cụm trong không gian.<br /> Trong các công trình nghiên cứu trước [9, 10], chúng tôi đã nghiên cứu cơ chế khuếch tán<br /> của hệ SiO2 lỏng thông qua các chuyển đổi SiOxSiOx1 và OSiy OSiy1. Kết quả nghiên cứu<br /> chỉ ra cả tốc độ chuyển đổi và sự phân bố trong không gian của các chuyển đổi đều ảnh hưởng tới<br /> hệ số khuếch tán của hệ. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ thực hiện các mô phỏng số nhằm làm rõ<br /> mối liên hệ giữa các chuyển đổi và các hiện tượng động học đặc biệt như động học không đồng<br /> nhất và thuyên giảm động học.<br /> Ngày nhận bài: 21/2/2017. Ngày sửa bài: 12/4/2017. Ngày nhận đăng: 20/4/2017.<br /> Tác giả liên hệ: Luyện Thị San, e-mail: san.luyenthi@hust.edu.vn.<br /> <br /> 74<br /> <br /> Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử<br /> <br /> 2. Nội dung nghiên cứu<br /> 2.1. Phương pháp nghiên cứu<br /> Chúng tôi sử dụng thế tương tác Van Beest-Kramer-Van Santen (BKS) để xây dựng các mẫu<br /> SiO2 ở các nhiệt độ khác nhau. Loại thế này tuy đơn giản nhưng thực tế cho thấy nó mô phỏng<br /> được nhiều tính chất của các hệ SiO2 vô định hình và lỏng. Hàm thế có dạng<br /> (1)<br /> qi q j e2<br /> 6<br /> <br />  <br /> <br /> U rij <br /> <br /> rij<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br />  Aij exp  Bij rij  Cij rij<br /> <br /> U(rij) là thế năng tương tác giữa hai nguyên tử thứ i và j Thế này bao gồm thành phần thế<br /> tương tác Cu-lông và phần thế liên quan tới tương tác cộng hóa trị trong phạm vi gần. Đại lượng<br /> rij là khoảng cách giữa hai nguyên tử thứ i và j. Các hệ số Aij, Bij, Cij được sử dụng cho mô phỏng<br /> hệ SiO2 được liệt kê trong Bảng 1.<br /> Mô phỏng ĐLHPT được tiến hành cho hệ SiO2 gồm 666 nguyên tử Si và 1332 nguyên tử O trong<br /> đó có sử dụng điều kiện biên tuần hoàn. Thời gian của một bước mô phỏng trong nghiên cứu này<br /> là 0,47 fs.<br /> Bảng 1. Các hệ số của hàm thế BKS đối với hệ SiO2 [11]<br /> Cặp nguyên tử<br /> <br /> Aij (eV)<br /> <br /> Bij (Å-1 )<br /> <br /> Cij(eV Å6)<br /> <br /> Điện tích (e)<br /> <br /> O-O<br /> <br /> 1388.773<br /> <br /> 2.760<br /> <br /> 175.000<br /> <br /> qO = − 1.2<br /> <br /> Si-O<br /> <br /> 18003.757<br /> <br /> 4.873<br /> <br /> 33.538<br /> <br /> qSi = + 2.4<br /> <br /> Si-Si<br /> <br /> 0.0<br /> <br /> 0.0<br /> <br /> 0.0<br /> <br /> Hai mẫu SiO2 ở các nhiệt độ khác nhau được xây dựng theo trình tự như sau: Cấu hình ban<br /> đầu được tạo ra bằng cách gieo ngẫu nhiên tất cả các hạt trong một khối lập phương. Cấu hình<br /> ngẫu nhiên ban đầu này được nung nóng tới nhiệt độ 6000 K để hình thành một trạng thái ngẫu<br /> nhiên hoàn toàn mới của hệ và giữ trong khoảng 50000 bước mô phỏng. Tiếp theo, cấu hình được<br /> làm lạnh xuống tới các nhiệt độ 5500 K, 5000 K, 4500 K, 4000 K và cuối cùng là 3500 K. Ở nhiệt<br /> độ 3500 K, mẫu SiO2 được hồi phục trong 106 bước mô phỏng với áp suất không của mẫu được<br /> giữ không đổi. Từ mẫu SiO2 ở áp suất không và nhiệt độ T = 3500 K tiếp tục giảm nhiệt độ của hệ<br /> tới 2600 K bằng cách sử dụng mô hình NPT (số hạt N, áp suất P và nhiệt độ T được giữ không<br /> đổi). Cuối cùng, hai mẫu thu được sẽ được hồi phục ở thể tích và năng lượng không đổi bằng cách<br /> sử dụng mô hình NVE (số hạt N, thể tích V và năng lượng toàn phần E được giữ không đổi) trong<br /> khoảng 107 bước mô phỏng. Sau khi các mẫu vật liệu đạt trạng thái cân bằng, tiến hành xác định<br /> các tính chất cấu trúc. động học và tính đa thù hình của hệ. Để tăng độ chính xác cho các kết quả<br /> thu được, tất cả các đặc trưng về số phối trí, góc, hàm phân bố xuyên tâm được lấy trung bình từ<br /> 1000 cấu hình cuối cùng của mẫu vật liệu và cứ sau 10 bước mô phỏng lại thực hiện một phép đo.<br /> Ô phối trí là một tập hợp nguyên tử trong đó bao gồm nguyên tử trung tâm và các nguyên tử<br /> lân cận. Các nguyên tử lân cận sẽ hình thành các liên kết với nguyên tử trung tâm. Liên kết giữa<br /> nguyên tử Si và O được hình thành nếu khoảng cách giữa hai nguyên tử nhỏ hơn bán kính<br /> ngắt (rc = 2,38 Å) tương ứng với vị trí tiểu thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm đối với cặp Si-O.<br /> Có hai loại ô phối trí được sử dụng trong nghiên cứu này là SiOx và OSiy trong đó x và y tương<br /> ứng là số nguyên tử O và Si. Một chuyển đổi xảy ra khi một liên kết bị phá vỡ hoặc một liên kết<br /> mới được tạo thành. Các chuyển đổi giữa các ô phối trí thường xảy ra là SiOx  SiOx1 và OSiy <br /> OSiy1 và rất ít các dạng chuyển đổi khác. Hai dạng chuyển đổi này xảy ra đồng thời với nhau.<br /> 75<br /> <br /> Luyện Thị San<br /> <br /> 2.2. Kết quả nghiên cứu và thảo luận<br /> Để đảm bảo tính tin cậy của mô hình, chúng tôi tiến hành so sánh hàm phân bố xuyên tâm<br /> của mẫu SiO2 được xây dựng trong bài báo với các công trình thực nghiệm và mô phỏng trước<br /> đây. Kết quả cho thấy hàm phân bố xuyên tâm có sự phù hợp tốt về cả vị trí đỉnh và độ rộng của<br /> hàm phân bố [12]. Ở áp suất khí quyển, số phối trí trung bình của Si và O tương ứng là 4 và 2.<br /> Như vậy ở áp suất khí quyển, SiO2 có cấu trúc mạng tứ diện.<br /> Hình 1 mô tả sự thay đổi số lượng các chuyển đổi theo thời gian mô phỏng ở hai nhiệt độ<br /> 3500 K và 2600 K. Cả hai đường đều có dạng tuyến tính. Độ dốc của đường thẳng dùng để xác<br /> định số lượng chuyển đổi. Hệ số khuếch tán của nguyên tử Si và O được xác định thông qua<br /> phương trình Einstein. Hệ số khuếch tán và tốc độ chuyển đổi cho hai mẫu SiO2 được trình bày<br /> trong Bảng 2. Tốc độ chuyển đổi giảm mạnh khi nhiệt độ giảm. Tuy nhiên so với hệ số khuếch tán,<br /> tốc độ chuyển đổi giảm chậm hơn. Điều này có nghĩa là chuyển đổi không phải là nguyên nhân<br /> duy nhất gây nên hiện tượng khuếch tán. Cách thức các chuyển đổi xảy ra và sự phân bố của<br /> chúng trong không gian cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.<br /> <br /> Sè l-îng c¸c chuyÓn ®æi<br /> <br /> 40000<br /> <br /> T=3500K<br /> T=2600K<br /> 30000<br /> <br /> 20000<br /> <br /> 10000<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 5000<br /> <br /> 10000<br /> <br /> 15000<br /> <br /> 20000<br /> <br /> Sè b-íc m« pháng<br /> <br /> Sè l-îng c¸c nguyªn tö tham gia chuyÓn ®æi<br /> <br /> Hình 1. Sự phụ thuộc của số lượng các chuyển đổi vào thời gian mô phỏng<br /> <br /> T=3500K<br /> T=2600K<br /> <br /> 2000<br /> <br /> 1500<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 500<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 5000<br /> <br /> 10000<br /> <br /> 15000<br /> <br /> 20000<br /> <br /> Sè b-íc m« pháng<br /> <br /> Hình 2. Sự phụ thuộc của số lượng các nguyên tử tham gia chuyển đổi<br /> vào thời gian mô phỏng<br /> 76<br /> <br /> Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử<br /> Khi số bước mô phỏng tăng (tương ứng với thời gian mô phỏng tăng), số lượng các nguyên<br /> tử tham gia chuyển đổi càng lớn. Ở cùng số bước mô phỏng , nhiệt độ càng cao thì số nguyên tử<br /> tham gia chuyển đổi càng nhiều (Hình 2). Quá trình chuyển đổi giữa các ô phối trí xảy ra khi có<br /> sự phá vỡ các liên kết Si-O trong mạng. Điều này có nghĩa là khi số bước mô phỏng tăng dần, số<br /> lượng các liên kết chưa từng bị phá vỡ sẽ giảm dần. Hình 3 cho thấy tốc độ giảm của các liên kết<br /> chưa từng bị phá vỡ ở nhiệt độ cao sẽ lớn hơn so với ở nhiệt độ thấp. Tại nhiệt độ T = 3500 K, tồn<br /> tại 4372 liên kết chưa từng bị phá vỡ tại n = 20000 bước mô phỏng trong khi ở nhiệt độ T = 2600 K,<br /> số liên kết này là 5282.<br /> Bảng 2. Hệ số khuếch tán và tốc độ chuyển đổi cho hai mẫu SiO2<br /> Nhiệt độ (K)<br /> <br /> DSi , cm2/s<br /> <br /> DO , cm2/s<br /> <br /> -7<br /> <br /> 2600<br /> <br /> 1,73×10<br /> <br /> 3500<br /> <br /> 2,68×10-6<br /> <br /> ξ<br /> <br /> -7<br /> <br /> 4,01×10-4<br /> <br /> 3,82×10-6<br /> <br /> 1,06×10-3<br /> <br /> 2,30×10<br /> <br /> Trong mỗi ô phối trí, mỗi nguyên tử Si hình thành 4 liên kết với 4 nguyên tử O xung quanh<br /> hoặc một nguyên tử O liên kết với 2 nguyên tử Si. Số lượng liên kết chưa từng bị phá vỡ trong<br /> từng ô phối trí ở nhiệt độ T = 3500 K với số bước mô phỏng n = 20000 được trình bày trong Bảng 3.<br /> Sau 20000 bước mô phỏng, có 44 nguyên tử Si mà 4 liên kết với nguyên tử O chưa hề bị phá vỡ<br /> và 112 nguyên tử Si có 4 liên kết đều bị phá vỡ. Độ dịch chuyển bình phương trung bình và số<br /> lượng chuyển đổi của các nguyên tử Si này có sự chênh lệch rõ ràng. Xu hướng tương tự cũng<br /> được quan sát thấy từ số liệu thu được đối với O. Như vậy, quá trình chuyển đổi tương ứng với sự<br /> phá vỡ các liên kết Si-O trong các ô phối trí xảy ra không ngẫu nhiên. Quá trình này chỉ tập trung<br /> ở một số nguyên tử xác định và những liên kết xác định. Trong hệ luôn luôn tồn tại những liên kết<br /> rất bền vững và những liên kết liên tục bị phá vỡ do tại đó không xảy chuyển đổi và xảy ra chuyển đổi.<br /> 5500<br /> <br /> Sè liªn kÕt ch-a ph¸ vì<br /> <br /> 5000<br /> 4500<br /> <br /> T=3500K<br /> T=2600K<br /> <br /> 4000<br /> 3500<br /> 3000<br /> 2500<br /> 2000<br /> 0<br /> <br /> 5000<br /> <br /> 10000<br /> <br /> 15000<br /> <br /> 20000<br /> <br /> Sè b-íc m« pháng<br /> <br /> Hình 3. Sự phụ thuộc của số liên kết chưa bị phá vỡ vào thời gian mô phỏng<br /> Tiếp theo chúng tôi khảo sát quá trình tạo đám của các nguyên tử. Đám được định nghĩa như<br /> một tập hợp các nguyên tử mà mỗi nguyên tử trong đám hình thành ít nhất một liên kết với các<br /> nguyên tử còn lại của đám. Kích thước đám được định nghĩa là số lượng nguyên tử của đám.<br /> Xét mẫu ở T = 3500 K tại thời điểm ứng với 10000 bước mô phỏng. Các nguyên tử chuyển đổi<br /> chia thành 188 đám và các nguyên tử không chuyển đổi chia thành 304 đám. Như vậy, các nguyên<br /> tử mà tại đó xảy ra chuyển đổi và không xảy ra chuyển đổi không phân bố đều trong không gian<br /> mô phỏng. Chúng có xu hướng tạo thành các đám. Trong 10000 bước mô phỏng, các nguyên tử<br /> xảy ra chuyển đổi chia làm 188 đám trong đó đám lớn nhất có 161 nguyên tử. Chúng tôi chọn đám<br /> lớn nhất này và theo dõi sự thay đổi nguyên tử của nó trong 10000 bước mô phỏng (Bảng 4). Số<br /> liệu thu được chỉ ra rằng đối với các nguyên tử xảy ra chuyển đổi, quá trình tan và hợp của các<br /> 77<br /> <br /> Luyện Thị San<br /> <br /> đám xảy ra liên tục. Tuy nhiên, đối với các nguyên tử không xảy ra chuyển đổi, chúng tôi theo dõi<br /> đám không chuyển đổi có kích thước 59 nguyên tử trong toàn bộ 10000 bước mô phỏng. Đám này<br /> hầu như chỉ dao động tại vị trí ban đầu và vị trí tương quan giữa các nguyên tử thay đổi rất ít.<br /> Khi nhiệt độ giảm, các nguyên tử không tham gia chuyển đổi tăng và kích thước các đám không<br /> chuyển đổi tăng. Sự mở rộng của các đám không chuyển đổi trong không gian được cho là nguyên<br /> nhân gây ra hiện tượng thuyên giảm động học của hệ khi nhiệt độ tiến tới gần nhiệt độ chuyển pha Tg.<br /> Bảng 3. Số lượng liên kết chưa từng bị phá vỡ trong từng ô phối trí<br /> ở nhiệt độ T = 3500 K vố số bước mô phỏng n = 20000<br /> Nguyên<br /> tử<br /> <br /> Số lượng liên<br /> kết được giữ<br /> nguyên từ đầu<br /> <br /> Số lượng<br /> nguyên tử<br /> <br /> Độ dịch chuyển<br /> bình phương trung<br /> bình/1 nguyên tử<br /> <br /> Số lượng chuyển<br /> đổi/1 nguyên tử<br /> <br /> 0<br /> <br /> 112<br /> <br /> 3.1501<br /> <br /> 53.1339<br /> <br /> 1<br /> <br /> 203<br /> <br /> 2.8086<br /> <br /> 39.6256<br /> <br /> 2<br /> <br /> 186<br /> <br /> 2.0325<br /> <br /> 24.3871<br /> <br /> 3<br /> <br /> 121<br /> <br /> 1.5536<br /> <br /> 14.4876<br /> <br /> 4<br /> <br /> 44<br /> <br /> 1.3408<br /> <br /> 6.3409<br /> <br /> 0<br /> <br /> 498<br /> <br /> 5.0023<br /> <br /> 25.9558<br /> <br /> 1<br /> <br /> 554<br /> <br /> 2.7307<br /> <br /> 12.0253<br /> <br /> 2<br /> <br /> 280<br /> <br /> 1.7539<br /> <br /> 3.5536<br /> <br /> Si<br /> <br /> O<br /> <br /> a) n = 0<br /> <br /> b) n = 5000<br /> <br /> c) n = 10000<br /> <br /> Hình 4. Đám không chuyển đổi có kích thước 59 nguyên tử tại 3 thời điểm khác nhau<br /> (0, 5000 và 1000 bước mô phỏng)<br /> Bảng 4. Theo dõi đám chuyển đổi gồm 161 nguyên tử trong 10000 bước mô phỏng<br /> Bước mô phỏng<br /> <br /> 78<br /> <br /> 2000<br /> <br /> 4000<br /> <br /> 6000<br /> <br /> 8000<br /> <br /> 10000<br /> <br /> Số lượng đám<br /> <br /> 17<br /> <br /> 16<br /> <br /> 18<br /> <br /> 13<br /> <br /> 1<br /> <br /> Số nguyên tử của đám lớn<br /> nhất<br /> <br /> 102<br /> <br /> 121<br /> <br /> 139<br /> <br /> 126<br /> <br /> 161<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

AMBIENT
Đồng bộ tài khoản