0

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc, sự không đồng nhất cấu trúc và động học của silica lỏng

7 10 0
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc, sự không đồng nhất cấu trúc và động học của silica lỏng

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 06/08/2022, 12:48

Trong bài báo này, các tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử để khảo sát sự thay đổi cấu trúc và tính chất động học trong vật liệu silica lỏng. Cụ thể, kết quả nghiên cứu hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), số phối trí, các đặc trưng của domain và năng lượng trung bình trên một nguyên tử cho thấy, silica trải qua 3 vùng cấu trúc khác nhau khi nhiệt độ tăng từ 2000 đến 6000 K. Khoa học Kỹ thuật Công nghệ DOI: 10.31276/VJST.64(3).43-49 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến cấu trúc, không đồng cấu trúc động học silica lỏng Giáp Thị Thùy Trang1*, Phạm Hữu Kiên1, Dương Thị Lan1, Trịnh Văn Hà2 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông, Đại học Thái Nguyên Ngày nhận 1/9/2021; ngày chuyển phản biện 6/9/2021; ngày nhận phản biện 4/10/2021; ngày chấp nhận đăng 8/10/2021 Tóm tắt: Trong báo này, tác giả sử dụng phương pháp mô động lực học phân tử để khảo sát thay đổi cấu trúc tính chất động học vật liệu silica lỏng Cụ thể, kết nghiên cứu hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), số phối trí, đặc trưng domain lượng trung bình nguyên tử cho thấy, silica trải qua vùng cấu trúc khác nhiệt độ tăng từ 2000 đến 6000 K Trong đó, q trình thay đổi cấu trúc xảy mạnh khoảng nhiệt độ 4500-5000 K Thêm nữa, tác giả khảo sát hàm liên kết đám loại nguyên tử linh động (NTLĐ), không linh động ngẫu nhiên Kết khẳng định, nhiệt độ cao cấu trúc silica lỏng đồng tượng không đồng cấu trúc xảy nhiệt độ 3500 K Cuối cùng, nghiên cứu nguyên tử O vật liệu có linh động nguyên tử Si Từ khóa: domain, hàm liên kết đám, khơng đồng nhất, nhiệt độ, silica lỏng Chỉ số phân loại: 2.5 Đặt vấn đề Vật liệu silica có nhiều ứng dụng quan trọng sản xuất cáp quang, gốm kỹ thuật điện tử, gốm sứ gia dụng đồ thủy tinh mỹ nghệ Thêm nữa, silica hợp chất thành phần chủ yếu lớp vỏ trái đất Vì vậy, hiểu biết chi tiết cấu trúc, tính chất vật lý đặc trưng chế động học mức nguyên tử loại vật liệu tác động nhiệt độ, áp suất cần thiết, góp phần khơng nhỏ phát triển cơng nghệ chế tạo vật liệu có tính chất mong muốn cung cấp thơng tin hoạt động địa chất lớp vỏ trái đất Do có tầm quan trọng nên thập kỷ gần vật liệu ơxít thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học nước giới hai lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng Một số phương pháp thực nghiệm điển nhiễu xạ tia X, phổ Raman, phổ tán xạ Rutherfor (RBS) phân tích phản ứng hạt nhân (NRA) thu thông tin silica lỏng [1-5] Trong cơng trình [1], nhóm tác giả xác định thừa số cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X với mẫu silica 298, 1873 2373 K, kết cho thấy, thừa số cấu trúc nhiệt độ giống Điều cho thấy tương tự cấu trúc silica lỏng thủy tinh Khác với chất lỏng thông thường, silica lỏng gồm khối tứ diện SiO4 có trật tự gần tương tự thủy tinh tinh thể quartz Tuy nhiên, khảo sát HPBXT nhiệt độ 298 2373 K [1] cho thấy, vị trí đỉnh silica lỏng dịch phải so với thủy tinh từ 1,597 đến 1,626 Å Tức là, độ dài liên kết trung bình Si-O silica lỏng lớn so với thủy tinh Ngoài ra, bất thường mật độ silica phát hiện: nhiệt độ tăng, mật độ vật liệu không giảm mà tăng theo Điều nghiên cứu thực nghiệm [2, 6] Cụ thể, khoảng nhiệt độ tăng từ 1373 đến 1753 K, nhóm tác giả [2] phát mật độ silica tăng từ 2,201 đến 2,204 g/cm3 Quy luật phát vùng nhiệt độ 1273-1773 K [6] Nhóm tác giả [3] cho rằng, tượng dị thường mật độ có nguyên nhân từ bẻ gãy liên kết Si-O-Si, dẫn đến chuyển đổi cấu trúc từ SiO4 sang SiO5 nhiệt độ tăng vùng nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Trong vật liệu silica, nguyên tử Si O chuyển động không ngừng, trạng thái rắn Nguyên tử Si O trở nên linh động nhiệt độ silica tăng Độ linh động nguyên tử giảm rõ rệt nhiệt độ giảm xuống gần nhiệt độ chuyển pha thủy tinh với hệ số khuếch tán 10-13-10-19 cm2/s Điều biết đến qua nghiên cứu thực nghiệm [4, 5, 7] Dựa mối liên hệ lượng khuếch tán, nhóm nghiên cứu [5] xác định hệ số khuếch tán silicon lỏng cỡ 10-9 cm2/s Nhóm nghiên cứu [7] tính tốn hệ số khuếch tán silicon dải nhiệt độ 1673-1873 K với silica tạo dạng epitaxy có độ dày h, thơng qua độ dịch chuyển xc nguyên tử trục khoảng thời gian định ( xc = D t , xc=0,5-5 giờ) có giá trị khoảng 10-13-10-16 Tác giả liên hệ: Email: giapthuytrang@dhsptn.edu.vn * 64(3) 3.2022 43 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Studying the effect of temperature on the structure, structural and dynamic heterogeneity of liquid silica Thi Thuy Trang Giap1*, Huu Kien Pham1, Thi Lan Duong1, Van Ha Trinh2 Thai Nguyen University of Education Thai Nguyen University of Information and Communication Technology Received September 2021; accepted October 2021 Abstract: The authors performed a molecular dynamics simulation to survey the structural and dynamic transition in liquid silica In detail, research results on the radial distribution function, the coordination number, the characteristics of the domain and average energy per atom showed that silica undergoes three different structural regions when the temperature increases from 2000 to 6000 K The structural transition occurred most strongly at the temperature range of 4500-5000 K Furthermore, the authors investigated the cluster function of sets of mobile, immobile and random atoms The results confirmed that the higher the temperature, the more homogeneous the structure of liquid silica and the structural heterogeneity occurs at a temperature below 3500 K Finally, the results indicated that O atoms are more mobile than Si atoms Keywords: cluster function, domain, heterogeneity, liquid silica, temperature Classification number: 2.5 cm2/s Trong dải nhiệt độ thấp khoảng 1323-1523 K, nhóm tác giả [4] xác định hệ số khuếch tán silicon 10-16-10-18 cm2/s Ảnh hưởng nhiệt độ đến cấu trúc silica lỏng mô tả số nghiên cứu mô Chẳng hạn, cơng trình [8-10] khẳng định, tỷ phần khuyết tật tăng lên tăng nhiệt độ vùng áp suất thấp (tỷ phần Si O khuyết tật tăng đến 15% dải nhiệt độ 2100-6100 K), thay đổi vùng áp suất cao Nghiên cứu [9, 11] khẳng định, phân bố kích thước vịng có đỉnh với vòng gồm nguyên tử Si, nhiên đường cong phân bố mở rộng tăng nhiệt độ Nhóm tác giả cơng trình [8, 9] tượng mật độ thay đổi bất thường silica lỏng, cụ thể mật độ tăng theo nhiệt độ lên đến 2,3 g/cm3 4800-4900 K Ngoài ra, ảnh hưởng 64(3) 3.2022 nhiệt độ đến trình khuếch tán khảo sát Trong khoảng nhiệt độ 1600-6000 K, hệ số khuếch tán tìm thấy khoảng 10-13 đến 10-4 cm2/s [8-10, 12, 13]; áp suất tăng hệ số khuếch tán silica thay đổi bất thường vùng nhiệt độ khoảng 2100-4000 K [10, 13-15] Tuy nhiên, theo hiểu biết chúng tôi, kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến cấu trúc, không đồng cấu trúc động học silica lỏng nhiều vấn đề chưa rõ ràng Chẳng hạn, nhiệt độ tăng thể tích voronoi nguyên tử Si, O domain Dx với x=4, 5, DB (domain boundary) thay đổi nào? Hiện tượng không đồng cấu trúc silica lỏng xảy vùng nhiệt độ nào? Mức độ linh động nguyên tử O Si silica lỏng Phương pháp mô động lực học phân tử cách hiệu để giải vấn đề cho phép tính tốn số đặc trưng nguyên tử riêng lẻ đơn vị cấu trúc (ĐVCT), từ nghiên cứu thay đổi cấu trúc tính chất động học vật liệu cấp độ nguyên tử Từ phân tích nêu trên, chúng tơi thực đề tài nghiên cứu “Mô biến đổi cấu trúc tính chất động học vật liệu GeO2, SiO2, TiO2, Al2O3 Al2O3-2SiO2 theo nhiệt độ áp suất” Phương pháp tính tốn Trong báo này, mơ hình silica gồm 3000 nguyên tử với điều kiện biên tuần hoàn xây dựng nhiệt độ 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500 6000 Một thơng dụng với tính tốn đơn giản, mơ tả tốt cấu trúc tính chất vật lý silica trạng thái lỏng rắn tương tác cặp BKS [16] đề xuất Biểu thức BKS có dạng sau: C U ij ( rij= ) qi q j er + Aij exp ( − Bij ) − r 6ij (1) ij ij đó: i j loại nguyên tử; rij khoảng cách hai nguyên tử thứ i j; qi qj điện tích nguyên tử thứ i j; Aij, Bij Cij số BKS xác định tối ưu hóa thơng số mơ cho kết tính tốn phù hợp tốt với thực nghiệm; exp thực nghiệm Giá trị số tương ứng với cặp nguyên tử Si-O, O-O Si-Si liệt kê bảng Bảng Các thông số tương tác BKS 44 Cặp Aij (eV) Bij (Å-1) Cij (eV Å6) Điện tích (e) O-O 1388,773 2,760 175,000 qO= -1,2 Si-O 18003,757 4,873 33,538 qSi=+2,4 Si-Si 0,0 0,0 0,0 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Mơ hình BKS đề xuất năm 1990, sau sử dụng để xây dựng mơ hình silica lỏng [12, 13, 15, 17, 18] Các tính tốn vi cấu trúc cấu HPBXT, phân bố số phối trí, mật độ, độ dài cặp liên kết góc liên kết cho kết phù hợp tốt với thực nghiệm Trong báo này, sử dụng kỹ thuật phân tích cấu trúc tính tốn như: HPBXT, tỷ lệ ĐVCT, số phối trí, lượng trung bình nguyên tử; tỷ lệ số lượng nguyên tử domain; thể tích voronoi nguyên tử Si, O domain; phân bố đám NTLĐ, nguyên tử không linh động (NTKLĐ) nguyên tử ngẫu nhiên (NTNN) Thêm nữa, động học silica lỏng phân tích dựa độ dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử Si O vào thời gian mô Từ đó, nhóm nghiên cứu đưa thơng tin liên quan tới thay đổi cấu trúc động học vật liệu silica lỏng nhiệt độ thay đổi Để xác định đại lượng này, giá trị bán kính ngắt sử dụng rSiO=2,3 Å, vị trí cực tiểu thứ sau đỉnh cực đại HPBXT cặp SiO Trong khoảng nhiệt độ khảo sát, mạng SiO2 hình thành từ ĐVCT SiOx (x=4, 5, 6) OSiy (y=2, 3) Các ĐVCT khác chiếm tỷ phần nhỏ không xét tới đây, liên kết Si-O hình thành Si O khoảng cách nhỏ so với rSiO Cấu trúc mạng Si-O bao gồm nguyên tử kết nối với thông qua liên kết Si-O Các nguyên tử Si vật liệu phân loại thành Si4, Si5, Si6 Sioth, Si4, Si5, Si6 có số phối trí 4, 6, Sioth Si với x6 Tương tự, ký hiệu O2, O3 ngun tử O có số phối trí Các nguyên tử O phân loại thành Oxx Oxy với Oxx liên kết với nguyên tử Six có x giống nhau, Oxy liên kết với nguyên tử Si có x khác Khi đó, domain Dx bao gồm nguyên tử Oxx nguyên tử Six liên kết với nhau, vùng không gian domain Dx không gian xếp chặt đa diện voronoi nguyên tử Oxx Six thuộc domain Vùng biên DB domain Dx chủ yếu gồm nguyên tử Oxy Tương tự mạng Si-O, nguyên tử miền Dx kết nối với liên kết Si-O Tất nguyên tử phân loại thành D4, D5, D6 BD Nguyên tử Dx (x=4, 6) thuộc miền Dx, nguyên tử BD Oxy Sioth Thể tích đa diện Voronoi xác định cách chèn mạng tinh thể đơn giản, với kích thước kích thước hộp mơ (lsb) tổng số nút msc×msc×msc Giá trị msc phụ thuộc vào kích thước hộp mơ phỏng, số mạng phải đảm bảo độ xác cao tính tốn thể tích đa diện Voronoi, đảm bảo thời gian, khả tính tốn hệ thống máy tính Khi giá trị msc=221 tổng thể tích 64(3) 3.2022 đa diện Voronoi nguyên tử Si ngun tử O mơ hình gần thể tích hộp mơ phù hợp với thời gian tính tốn, khả tính tốn hệ thống máy tính Thể tích voronoi nguyên tử thứ i xác định công thức sau: vi = miVsb msc3 đó: Vsb thể tích hộp mơ phỏng, Vsb=lsb3; lsb kích thước hộp mô phỏng; mi số nút gần với nguyên tử thứ i nút khác; msc số nút tính theo chiều mạng lập phương chèn vào Thể tích chiếm miền Dx miền DB tính từ thể tích vi Kết bàn luận Sự thay đổi cấu trúc silica lỏng nhiệt độ tăng Bảng Các đặc trưng cấu trúc SiO2 lỏng T (K) 2000 2600 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Thực nghiệm [1, 3] zSi-O 4,03 4,04 4,05 4,09 4,10 4,13 4,13 4,11 4,08 3,85-4,00 zO-Si 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,06 2,05 2,04 2,00 rSi-Si (Å) 3,12 3,10 3,10 3,12 3,10 3,10 3,10 3,10 3,12 3,08-3,12 rSi-O (Å) 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60-1,63 rO-O (Å) 2,60 2,62 2,60 2,58 2,60 2,60 2,58 2,58 2,62 2,63-2,65 gSi-Si 3,56 3,24 3,05 2,76 2,64 2,48 2,28 2,18 2,11 - gSi-O 12,74 10,85 9,93 8,66 8,17 7,61 6,78 6,47 6,26 - gO-O 3,31 2,99 2,83 2,57 2,49 2,36 2,19 2,11 2,05 - SiO4 (%) 97,1 95,9 93,8 89,2 83,9 81,9 74,5 70,9 69,3 - SiO5 (%) 2,8 5,8 10,1 13,1 14,0 17,5 19,1 19,3 - SiOoth (%) 0,1 0,1 0,4 0,7 3,0 04,1 08,0 10,0 11,4 - OSi2 (%) 97,2 96,2 92,4 90,2 87,9 82,6 83,3 78,3 - 2,8 3,8 7,6 9,8 12,1 17,4 16,7 21,7 - 98,4 OSioth (%) 1,6 Ghi chú: zij số phối trí; rij gij vị trí độ cao đỉnh thứ HPBXT gij(r); SiOx (%, x=4, 5, oth) OSiy (%, y=2, oth) tương ứng tỷ lệ ĐVCT SiO4, SiO5, SiOoth (ĐVCT chứa nguyên tử Si có số phối trí nhỏ lớn 5) tỷ lệ ĐVCT OSi2, OSioth (ĐVCT chứa ngun tử O có số phối trí khác 2) Kết bảng cho thấy, đặc trưng cấu trúc SiO2 lỏng thơng qua phân tích HPBXT, số phối trí, tỷ phần ĐVCT SiOx OSiy Khi nhiệt độ tăng vị trí cực đại thứ HPBXT số phối trí thay đổi khơng đáng kể Tuy nhiên, độ cao cực đại thứ giảm Tỷ lệ ĐVCT SiO4 OSi2 giảm, tỷ lệ SiOx (x≠4) OSiy (y≠2) tăng, cho thấy có chuyển đổi cấu trúc silica lỏng 45 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ độ Điều cho thấy, khoảng nhiệt độ 2000-6000 K, silica lỏng tồn vùng cấu trúc Thêm nữa, khoảng 4500-5000 K, lượng thay đổi đáng kể so với khoảng nhiệt độ khác Điều cho thấy, khoảng nhiệt độ hệ xảy trình chuyển đổi cấu trúc mạnh Hình Sự phụ thuộc lượng trung bình nguyên tử vào nhiệt độ Thêm nữa, thông tin chi tiết chuyển đổi cấu trúc silica lỏng nhiệt độ thay đổi phân tích thơng qua thể tích domain Dx (x=4, 5, 6), DDB tỷ lệ số lượng nguyên tử domain vùng nhiệt độ Kết thể hình 3, tương tự phân tích hình 1, thể tích domain VD4, VDB tỷ phần số lượng nguyên tử domain fD4, fDB cho thấy, vùng cấu trúc I, II, III có đặc trưng khác khoảng 45005000 K đường cong trở nên dốc hơn, điều lần khẳng định khoảng nhiệt độ hệ chuyển đổi cấu trúc mạnh Trong vùng I, nhiệt độ tăng thể tích domain tỷ phần ngun tử domain D4 giảm, DB tăng, D5 tăng DB, cịn D6 tăng ít; vùng II, nhiệt độ tăng thể tích domain tỷ phần nguyên tử domain D4 giảm mạnh vùng I, DB D5 tăng nhanh vùng I, D5 tăng DB D6 tăng ít; thể tích domain tỷ phần nguyên tử domain vùng III thay đổi theo nhiệt độ tương tự vùng I Hình Sự phụ thuộc thể tích loại domain vào nhiệt độ Hình Sự phụ thuộc tỷ lệ số lượng nguyên tử domain vào nhiệt độ Hình biểu diễn lượng trung bình nguyên tử nhiệt độ khác Như thấy hình, nhiệt độ tăng, tồn vùng nhiệt độ I (2000-3000 K), II (35004500 K) III (5000-6000 K) mà lượng trung bình nguyên tử vùng tăng tuyến tính theo nhiệt 64(3) 3.2022 Hình Phân bố thể tích voronoi nguyên tử Si O nhiệt độ 46 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Hình Sự phụ thuộc thể tích voronoi trung bình nguyên tử Si O theo nhiệt độ 1200 1200 NTLĐ NTLĐ NTKLĐ NTKLĐ NTNN NTNN 600 600 200 200 200 200 00 1200 1200 22 44 NTLĐ NTLĐ NTKLĐ NTKLĐ NTNN NTNN 5000 5000KK 1000 1000 600 600 600 600 400 400 400 400 200 200 200 200 00 1200 1200 22 44 r (Å) NTLĐ NTLĐ NTKLĐ NTKLĐ NTNN NTNN 800 800 (r) FFlink link(r) 800 800 1200 1200 NTLĐ NTLĐ NTKLĐ NTKLĐ NTNN NTNN 6000 6000KK 1000 1000 600 600 600 600 400 400 400 400 200 200 200 200 00 r (Å) NTLĐ NTLĐ NTKLĐ NTKLĐ NTNN NTNN 800 800 (r) FFlink link(r) 800 800 44 rr(Å) (Å) 3000 K K 1000 1000 44 rr(Å) (Å) 1200 1200 2600 K K 1000 1000 FFlink (r) link(r) 600 600 400 400 r (Å) NTLĐ NTLĐ NTKLĐ NTKLĐ NTNN NTNN 800 800 400 400 3500 3500KK 1000 1000 (r) FFlink link(r) FFlink (r) link(r) 800 800 FFlink (r) link(r) 1200 1200 2000 K K 1000 1000 Bên cạnh đó, hai đường cong VDx fDx nhìn chung đồng dạng với Mà thể tích domain phụ thuộc vào hai yếu tố số lượng nguyên tử domain thể tích voronoi nguyên tử domain Như vậy, thay đổi thể tích domain trường hợp chủ yếu thay đổi số lượng nguyên tử domain, cịn thể tích voronoi ngun tử domain thay đổi không đáng kể Để làm rõ điều này, nhóm nghiên cứu khảo sát phân bố thể tích voronoi nguyên tử Si O nhiệt độ khác khoảng 2000-6000 K Kết biểu diễn hình cho thấy, nhiệt độ tăng phân bố thể tích voronoi nguyên tử Si O có độ cao đỉnh giảm độ rộng tăng, điều hệ có chuyển đổi cấu trúc Thể tích ngun tử O thay đổi theo nhiệt độ, thể tích nguyên tử Si thay 44 22 44 rr(Å) (Å) Hình Hàm liên kết đám loại nguyên tử nhiệt độ Hình Hàm liên kết đám các loại loại nguyên nguyên tử tử ở các nhiệt nhiệt độ độ Động học silica lỏng khi nhiệt nhiệt độ độ tăng tăng 47 64(3) 3.2022 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ đổi nhiều (hàm phân bố dịch chuyển dần sang phải nhiệt độ tăng) Các kết luận thể rõ ràng hình Khi nhiệt độ tăng từ 2000 lên 6000 K thể tích voronoi trung bình ngun tử O giảm nhẹ từ 15,64 đến 14,97 Å3, cịn thể tích voronoi trung bình nguyên tử Si tăng từ 7,67 đến 8,97 Å3 Nhưng số lượng nguyên tử Si hệ lớn gấp đôi số lượng nguyên tử O, đó, tổng thể tích hệ tăng nhiệt độ tăng Thêm nữa, kết hình tương tự hình 1-3, khoảng 4500-5000 K thể tích voronoi nguyên tử Si tăng đáng kể so với nhiệt độ khác, điều chứng minh khoảng nhiệt độ hệ xảy trình chuyển đổi cấu trúc mạnh Hiện tượng không đồng cấu trúc silica lỏng nhiệt độ tăng Hình biểu diễn hàm liên kết đám Flink (r, t) nhiệt độ khác Như thấy, 3500 K hàm Flink (r, t) cho tập hợp NTLĐ (đường đồ thị màu đen), NTKLĐ (đường đồ thị màu đỏ) NTNN (đường đồ thị màu xanh) khác Tức là, 3500 K, ĐVCT SiOx miền Dx phân bố không đồng không Động học silica lỏng nhiệt độ tăng Đồ thị biểu diễn mối quan hệ độ dịch chuyển bình phương trung bình () nguyên tử Si nguyên tử hệ SiO2 lỏng theo thời gian t (bước mô phỏng) thể hình Kết cho thấy, đường cong biểu diễn nguyên tử Si O khoảng nhiệt độ khảo sát có chung đặc điểm sau: thứ nhất, nhiệt độ, có thăng giáng nhìn chung độ dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử Si O tăng theo thời gian cách tuyến tính Nếu xem độ dịch chuyển bình phương trung bình phụ thuộc vào thời gian hàm tuyến tính =at+b giá trị hệ số góc a hệ số tự khuếch tán Thứ hai, vùng nhiệt độ 2000-3000, 3500-4500 5000-6000 K đường đồ thị gần có độ dốc khác khơng Ngun tử Si Ngun tử Si 6000 80000 2000 K 2600 K 3000 K 3500 K 4000 3500 K 4000 K 4500 K 5000 K 5500 K 6000 K 60000 (Å2) (Å2) gian mô Ở nhiệt độ 3500 K, hàm tiến lại gần Tại 6000 K, đường đồ thị gần trùng cho thấy phân bố không gian đơn vị SiOx miền Dx đồng Điều nguyên tử xếp lại mạnh mẽ 3500 K so với 3500 K Điều có nghĩa khơng đồng cấu trúc silica lỏng xảy nhiệt độ 3500 K 2000 40000 20000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 5000 10000 Nguyên tử O 25000 30000 25000 30000 3500 K 4000 K 4500 K 5000 K 5500 K 6000 K 160000 (Å2) (Å2) 20000 Nguyên tử O 200000 2000 K 2600 K 3000 K 3500 K 15000 15000 n (bước MD) n (bước MD) 10000 5000 120000 80000 40000 0 5000 10000 15000 n (bước MD) 20000 25000 30000 5000 10000 15000 20000 n (bước MD) Hình Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử Si O vào thời gian mơ nhiệt độ Hình Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bình phương trung bình c nguyên tử Si O vào thời gian mô nhiệt độ Đồ thị biểu diễn mối quan hệ độ dịch chuyển bình phương trung bình 64(3) 3.2022 48 () nguyên tử Si nguyên tử hệ SiO2 lỏng theo thời gian t (bước mơ phỏng) đượcthể hình Kết cho thấy, đường cong biểu diễn Khoa học Kỹ thuật Công nghệ nhiều Ở khoảng nhiệt độ khác đường tách xa độ dốc khác đáng kể Chẳng hạn, đường biểu diễn 3000 3500 K; 4500 5000 K tách xa có độ dốc khác nhiều Sự tách đường cong tương ứng với vùng cấu trúc khác ba vùng nhiệt độ I, II III, kết phù hợp với hình 1-3 Thứ ba, khoảng thời gian, nhiệt độ tăng nguyên tử chuyển động nhanh độ dịch chuyển bình phương trung bình tăng Thứ tư, nhiệt độ, khoảng thời gian, so với ngun tử Si ngun tử O có độ dịch chuyển bình phương trung bình lớn hơn, nghĩa ngun tử O vật liệu có tính linh động nguyên tử Si Điều giải thích ngun tử O nhẹ có bán kính nhỏ nguyên tử Si Kết luận Quá trình chuyển đổi cấu trúc, tính chất khơng đồng cấu trúc động học silica lỏng nhiệt độ khoảng 2000-6000 K nghiên cứu phương pháp mô động lực học phân tử Các kết phân tích ra: i/ Silica lỏng tồn vùng cấu trúc khác tương ứng với vùng nhiệt độ I (2000-3000 K), II (3500-4500 K) III (5000-6000 K) Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc trưng nguyên tử (năng lượng trung bình, thể tích voronoi, độ dịch chuyển bình phương trung bình) domain (thể tích voronoi, tỷ lệ số nguyên tử) vùng khác Ở khoảng nhiệt độ 4500-5000 K chuyển đổi cấu trúc vật liệu mạnh ii/ Ở 3500 K, silica lỏng thể động học không đồng mạnh, cụ thể hệ tồn vùng mật độ thấp vùng mật độ cao Trái lại 3500 K, silica thể cấu trúc đồng Điều giải thích sau: nhiệt độ cao nguyên tử Si, O có động lớn độ linh động chúng cao chúng nhiệt độ thấp iii/ Trong silica lỏng, nguyên tử O linh động nguyên tử Si LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Chương trình nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên thông qua đề tài mã số CS.2021.17 Các tác giả xin chân thành cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Q Mei, et al (2007), “Structure of liquid SiO2: a measurement by high-energy X-ray diffraction”, Physical Review Letters, 98, pp.1-4 [2] B Champagnon, et al (2007), “Density and density fluctuations anomalies of SiO2 glass: comparison and light scattering study”, Philosophical Magazine & Philosophical Magazine Letters, 64(3) 3.2022 87, pp.691-695 [3] P.F MCMillan, et al (1994), “A study of SiO2 glass and supercooled liquid to 1950 K via high-temperature Raman spectroscopy”, Geochimica et Cosmochimica Acta, 58, pp.3653-3664 [4] Frédéric Béjina, Olivier Jaoul (1996), “Silicon self-diffusion in quartz and diopside measured by nuclear micro-analysis methods”, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 97, pp.145-162 [5] Frédéric Béjina, Olivier Jaoul (1997), “Silicon diffusion in silicate minerals”, Earth and Planetary Science Letters, 153, pp.229238 [6] R Brockner (1970), “Properties and structure of vitreous silica”, Jounal of Non-Crystalline Solids, 5, pp.123-175 [7] O Jaoul, et al (1995), “Silicon self-diffusion in quartz”, Physical Review letters, 74 (11), pp.2038-2041 [8] Jurgen Horbach, Walter Kob (1999), “Static and dynamic properties of a viscous silica melt”, Physical Review B, 60(5), pp.3169-3181 [9] Katharina Vollmayr, et al (1996), “Cooling-rate effects in amorphous silica: a computer-simulation study”, Physical Review B, 54, pp.15808-15827 [10] J Horbach (2008), “Molecular dynamics computer simulation of amorphous silica under high pressure”, J of Physics: Condensed Matter., 20, pp.1-12 [11] Raffaele Guido Della Valle, Hans C Andersen (1992), “Molecular dynamics simulation of silica liquid and glass”, The Jounal of Chemical Physics, 97, pp.2682-2689 [12] N.V Hong, et al (2012), “The correlation between coordination and bond angle distribution in network-forming liquids”, Materials Science-Poland, 30, pp.121-130 [13] P.K Hung, N.V Hong, G.T.T Trang, Toshiaki Iitaka (2019), “Topological analysis on structure and dynamics of SiO2 liquid with the help of Si-particle and O-particle statistics”, Materials Research Express, 6, pp.1-10 [14] A Takada, et al (2016), “Molecular dynamics study of liquid silica under high pressure”, Journal of Non-Crystalline Solids, 451, pp.124-130 [15] P.K Hung, L.T Vinh, N.T Ha, G.T.T Trang, N.V Hong (2020), “Domain structure and oxygen-pockets in the silica melt under pressure”, Journal of Non-Crystalline Solids, 530, pp.1-9 [16] B.W.H Van Beest, et al (1990), “Force fields for silicas and aluminophosphates based on ab initio calculations”, Physical Review Letters, 64, pp.1955-1958 [17] Pham K Hung, Le T Vinh, Nguyen V Hong, Giap T.T Trang, Nguyen T Nhan (2019), “Insight into microstructure and dynamics of network forming liquid from the analysis based on shellcore particles”, The European Physical Journal B, 92, pp.1-10 [18] P.K Hung, N.T.T Ha, M.T Lan, N.V Hong (2013), “Spatial heterogeneous distribution of SiOx→SiOx±1 reactions in silica liquid”, The Jounal of Chemical Physics, 138, DOI: 10.1063/1.4811491 49 ... đổi cấu trúc, tính chất khơng đồng cấu trúc động học silica lỏng nhiệt độ khoảng 2000-6000 K nghiên cứu phương pháp mô động lực học phân tử Các kết phân tích ra: i/ Silica lỏng tồn vùng cấu trúc. .. vị cấu trúc (ĐVCT), từ nghiên cứu thay đổi cấu trúc tính chất động học vật liệu cấp độ nguyên tử Từ phân tích nêu trên, chúng tơi thực đề tài nghiên cứu “Mô biến đổi cấu trúc tính chất động học. .. hiểu biết chúng tôi, kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến cấu trúc, không đồng cấu trúc động học silica lỏng nhiều vấn đề chưa rõ ràng Chẳng hạn, nhiệt độ tăng thể tích voronoi nguyên tử Si, O domain
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc, sự không đồng nhất cấu trúc và động học của silica lỏng,