Ảnh hưởng của thành phần lên cấu trúc hệ thủy tinh silicat

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ Ảnh hưởng thành phần lên cấu trúc hệ thủy tinh Silicat NGUYEN VAN HUONG huong.nv212129m@sis.hust.edu.vn Bộ môn Vật lý tin học Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Hồng Viện: Vật lý kỹ thuật Hà Nội, 07/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ Ảnh hưởng thành phần lên cấu trúc hệ thủy tinh Silicat NGUYEN VAN HUONG huong.nv212129m@sis.hust.edu.vn Bộ môn Vật lý tin học Chủ tịch hội đồng (Ký ghi rõ họ tên) Phạm Khắc Hùng Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Hồng Lời cam kết Tơi xin xác nhận cơng trình trình bày luận văn tơi Trong trường hợp thông tin lấy từ nguồn khác, tơi xác nhận điều trích dẫn luận án Học viên (Ký ghi rõ họ tên) Tổng quan Ảnh hưởng thành phần lên cấu trúc hệ thủy tinh Silicat (SiO2, B2O3-SiO2 Al2O3-2SiO2) nghiên cứu mô động lực học phân tử hai trạng thái rắn lỏng vật liệu Cấu trúc mạng bao gồm đơn vị SiO4, BO3, AlO3 AlO4 Phân bố liên kết chung góc, liên kết chung cạnh liên kết chung mặt hệ làm rõ trực quan hóa hình ảnh Ngun nhân tách đỉnh hàm phân bố xuyên tâm cặp O-O Al-Al làm rõ Mức độ trật tự hệ trạng thái rắn cao trạng thái lỏng Sự tách đỉnh hàm phân bố xuyên tâm hàm phân bố góc làm rõ Cấu trúc hệ bao gồm khu vực giàu Si, B Al đan xen lẫn mạng Sự không đồng thành phần cấu trúc tách vi pha chế kế hợp ion Al 3+, B3+ mạng thủy tinh thảo luận luận văn Danh mục cơng trình cơng bố 1, Hong Nguyen Van, Nguyen Van Huong, Mai Thi Lan "Glassy network structure of CaO-SiO2 CaO-Al2O3-SiO2 systems "Bulletin of Materials Science 45.3 (2022): 1-8 Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Văn Hồng, người truyền cảm hứng, động lực hỗ trợ suốt thời gian thực luận văn Sự hướng dẫn nhận xét thầy giúp cải thiện đáng kể nâng cao nhìn nhận tơi cách giải vấn đề gặp phải luận văn Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ đồ thị 10 Danh mục bảng biểu 12 GIỚI THIỆU 13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 16 1.1 Hệ Borosilicate 16 1.2 Aluminosilicate 18 1.3 Thủy tinh chất thải hạt nhân 20 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP 23 2.1 Mơ máy tính 23 2.2 Động lực học phân tử cổ điển 23 2.2.1 Phương trình chuyển động 23 2.2.2 Điều kiện biên tuần hoàn 24 2.3 Xây dựng mơ hình slicate 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Trật tự gần hệ Silicat 27 3.2 Trật tự tầm trung hệ 33 3.3 Cấu trúc mạng hệ Slicate 38 KẾT LUẬN 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Danh mục từ viết tắt Từ viết tắt Tên tiếng Anh đầy đủ HPBXT Từ viết đầy đủ tiếng Việt Hàm phân bố xuyên tâm XAFS X-ray Absorption Fine Structure Cấu trúc phổ hấp thụ tia X CNR Continuous Random Network Mạng ngẫu nhiên liên tục BO Bridging oxygen Oxi liên kết cầu NBO Non-bridging oxygen Oxi khơng có liên kết cầu Động lực học phân tử ĐLHPT BKS Beest Kramer van Santen MAS NMR Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance Cộng hưởng từ hạt nhân EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure Cấu trúc Hấp thụ Tia X-ray Mở Rộng ab initio Phương pháp tính tốn từ ngun tố ban đầu PBG Phân bố góc PBCDLK Phân bố chiều dài liên kết Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 0.1: Hình học phối trí tứ diện cho ngun tử silic, hình thành tứ diện SiO4 mạng lưới thủy tinh, liên kết chung góc thơng qua ngun tử oxy bắc cầu (BO) Nguyên tử màu xanh Si màu đỏ O Hình 1: Sơ đồ thành phần hệ ba thành phần Na2O-B2O3-SiO2 (số thành phần thủy tinh tổng hợp ký hiệu điểm) [1] Hình 2: Phổ Raman thủy tinh có thành phần xNa2O.xB2O3.(100-2x)SiO 2, x(%)=20 (1), 25(2), 30(3), 35(4), 40(5) [1] Hình 3: Phổ Raman thủy tinh (1) sản phẩm kết tinh nóng chảy (2) có thành phần 40% Na 2O, 40% B2O3 20% SiO2.[1] Hình 1: Hàm phân bố xuyên tâm cặp SiO2, Al2O3-2SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K Hình 2: Phân bố số phối trí Si-O SiO2, SiO2-2Al 2O3 SiO 2-2B2O 300K 3000K Hình 3: Phân bố góc O-Si-O SiOx SiO 2, Al2O3-2SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K Hình 3: Phân bố góc O-Si-O SiOx SiO 2, Al2O3-2SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K Hình 4: Phân bố chiều dài liên kết Si-O SiOx SiO 2, Al2O3-2SiO2 B 2O 3-2SiO2 300K 3000K Hình 5: Phân bố góc liên kết O-M-O MOx Al2O3-2SiO2 B 2O32SiO2 300K 3000K (M= Al, B) Hình 6: Phân bố chiều dài liên kết M-O MOx Al2 O3-2SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K (M= Al, B) Hình 7: Phân bố góc liên kết O–M–O Phân bố chiều dài liên kết M–O đơn vị MO MO4 Al2O3-2SiO B2O3-2SiO2 300K 3000K (M=Al, B) Hình 8: Phân bố góc liên kết Si-O-Si OSix SiO2, Al2O 3-2SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K Hình 9: Phân bố chiều dài liên kết O-Si OSix SiO 2, Al2O3-2SiO2 B 2O 3-2SiO2 at 300K 3000K Hình 10: Phân bố góc T-O-T OT x SiO2, Al2O3-2SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K (T=Si, Al, B) Hình 11: Phân bố chiều dài liên kết O-T OTx SiO 2, Al2O3-2SiO2 B 2O 3-2SiO2 300K 3000K (T=Si, Al, B) Hình 12: Phân bố góc Si-O-M SiOM Al2O3-2SiO2 B2 O3-2SiO2 300K 3000K (M=Al, B) Hình 13: Mơ hình SiO2 300K (trái) 3000K (phải) Ngun tử màu đỏ Si, nguyên tử màu đen O 10 3.3 Cấu trúc mạng hệ Slicate Hình 13: Mơ hình SiO 300K (trái) 3000K (phải) Nguyên tử màu đỏ Si, nguyên tử màu đen O Cấu trúc silica trạng thái vơ định hình trạng thái lỏng bao gồm tứ diện SiO4 liên kết với hình thành mạng ngẫu nhiên liên tục không gian ba chiều (quan sát Hình 3.13) Những đơn vị SiO4 liên kết với thông qua oxy cầu tạo thành mạng SiOx [53, 54] Trong hệ thủy tinh Silicat, nguyên tố Al B chất tạo mạng Điều có nghĩa khơng có tồn oxy tự (FO) oxy không cầu (NBO) mạng Thay vào đó, chúng tơi đưa định nghĩa sau: OS oxy liên kết với Silicon; OAB oxi liên kết với Nhôm (hoặc B); SOAB oxy liên kết với Silicon nhơm (hoặc B) Hình 14: Mơ hình Al O3-2SiO2 300K (bên trái) 3000K (bên phải) Nguyên tử màu tím Si; Nguyên tử màu vàng Al; Nguyên tử màu đỏ OS; Nguyên tử màu xanh OAB; Nguyên tử màu xanh nước biển SOAB 38 Hình 15: Mơ hình B 2O3 -2SiO2 300K (bên trái) 3000K (bên phải) Nguyên tử màu tím Si; Nguyên tử màu vàng Bo; Nguyên tử màu đỏ OS; Nguyên tử màu xanh OAB; Nguyên tử màu xanh nước biển SOAB Bảng 9: Phân bố kích thước đám SiO x SiO2 , Al2 O3-2SiO2 B 2O 3-2SiO2 300K 3000K; Nc số lượng đám Na số lượng nguyên tử đám SiO2 300K 3000K Nc Na Nc 4998 1 Al2O3-2SiO2 Na 4998 300K Nc Na B2O3-2SiO2 3000K Nc Na 300K Nc 3000K Na Nc Na 25 26 62 51 13 15 17 13 12 13 11 29 37 17 12 61 3616 21 13 3553 25 16 28 17 29 20 33 25 41 26 45 29 60 32 122 33 2807 45 53 54 3102 38 37 39 109 91 a, Al2O3-2SiO2 300K b, B2O3-2SiO2 300K c, Al2O3-2SiO2 3000K d, B2O3-2SiO2 3000K Hình 16: Đám SiO x điển hình Al 2O3-2SiO B2 O3 -2SiO2 300K 3000K Số lượng nguyên tử hình 16.a, b, c d 61, 122, 37 54 Nguyên tử màu tím Si; Nguyên tử màu đỏ OS; Nguyên tử màu xanh nước biển SOAB Bảng phân bố kích thước đám SiOx SiO2 ,  -2SiO2 B2O32SiO2 300K 3000K Có thể thấy mạng Silica có đám gồm 4998 nguyên tử (ở hai trạng thái) Từ Hình 3.19, quan sát thấy mạng bao gồm đơn vị SiO4 Khi thêm Al2 O3 B 2O vào mạng Silica dẫn đến cấu trúc mạng không liên tục bị phá vỡ thành nhiều đám với kích cỡ 38 37 300K 3000K (quan sát Bảng 9) Đối với Aluminosilicate 300K, có 25 mạng nhỏ bao gồm nguyên tử (đây đơn vị SiO4) Có mạng bao gồm nguyên tử (hai đơn vị SiO4 liên kết với liên kết) 300K; Có hai mạng bao gồm 13 nguyên tử; mạng bao gồm 1; mạng bao gồm 29 nguyên tử; mạng bao gồm 61 nguyên tử Mạng lớn bao gồm 3553 nguyên tử Đối với Aluminosilicate 3000K, số lượng đơn vị SiO4 thay đổi nhẹ (từ 25 đơn vị lên 26 đơn vị) Kích thước đám lớn thay đổi đáng kể Có mạng bao gồm nguyên tử (đơn vị SiO 5); sáu mạng bao gồm nguyên tử; hai mạng bao 40 gồm 13 nguyên tử; mạng bao gồm 37 nguyên tử Kích thước mạng lớn 3616 nguyên tử (lớn 300K) Các đám điển hình hiển thị Hình 3.16 Đối với Borosilicate, tổng số lượng đám -Si-O- 109 91 300K 3000K Số lượng đám -Si-O- B2O3-2SiO2 lớn nhiều so với Al2O3-2SiO2 nhiệt độ Điều bán kính nguyên tử Bo nhỏ nhiều so với bán kính Si Trong đó, bán kính nguyên tử Si với bán kính nguyên tử Al Ở nhiệt độ 300, kích thước mạng từ (đơn vị BO3) đến 122 nguyên tử Mạng lớn -Si-O- bao gồm 2807 nguyên tử Ở nhiệt độ 3000K, kích thước mạng từ đến 54 nguyên tử Mạng lớn -Si-O- bao gồm 3102 nguyên tử Số đám trạng thái lỏng số đám trạng thái rắn, kích thước đám lớn SiOx lớn Đám SiOx điển hình Al2O 3-2SiO2 B 2O3-2SiO2 300K 3000K nghiên cứu Hình 3.16 Bảng 10: Phân bố kích thước đám AlO x BOx  -2SiO2 B2O32SiO2 300K 3000K; Nc số lượng đám Na số lượng nguyên tử đám Al2O3-2SiO2 300K B2O3-2SiO2 3000K Nc Na Nc Na 65 61 3 300K Nc 3000K Na Nc Na 262 3 23 254 77 12 8 19 90 10 11 11 11 22 10 34 10 12 12 12 11 11 16 14 12 14 13 18 15 13 14 19 17 14 15 21 19 15 16 22 21 16 17 27 23 17 18 28 25 19 19 74 58 20 20 2660 2635 23 21 25 22 26 23 27 26 30 28 31 29 41 97 98 32 31 33 32 38 33 47 38 54 39 87 42 92 46 63 476 476 Hình 17: Đám AlO x điển hình (bên trái) đám BO x (bên phải) 300K bao gồm 74 92 nguyên tử Nguyên tử màu vàng B Al; Nguyên tử màu xanh nước biển SOAB;Nguyên tử màu xanh OAB Phân bố kích thước đám AlOx BOx Al 2O3 -2SiO2 B2O 3-2SiO2 300K 3000K nghiên cứu Bảng 10 Hình 3.17 Có thể thấy kích thước đám B2O 3-2SiO2 300K 3000K từ vài vài chục nguyên tử Ở nhiệt độ 300K, mạng có kích thước nhỏ gồm ngun tử (đơn vị BO3); mạng có kích thước lớn bao gồm 92 nguyên tử Ở nhiệt độ 3000K, mạng có kích thước nhỏ gồm ngun tử (đơn vị BO2); mạng có kích thước lớn gồm 63 nguyên tử Số lượng đám BOx 476 300K 3000K Có thể thấy đám BOx B 2O3 -2SiO2 phân bố không liên tục mạng (quan sát Hình 3.15) Trong B2O3 -2SiO2 300K, mạng lớn SiOx gồm 2807 nguyên tử; Trong mạng BOx lớn bao gồm 92 nguyên tử Phân tích cho thấy nguyên tử tạo mạng Borosilicate Silicon Tuyên bố với nhiệt độ 3000K Đối với Aluminosilicate, số lượng mạng tương ứng 97 98 300K 3000K Ở 300K, kích thước mạng AlOx từ (AlO3) đến 2660 nguyên tử; 3000K kích thước mạng AlOx từ đến 2635 nguyên tử Số mạng AlO x Al2O32SiO2 nhiều so với số mạng BOx B 2O3 -2SiO2 Hơn nữa, kích thước 42 đám chúng nhỏ nhiều Từ Hình 3.14 thấy khu vực giàu Al giàu Si Điều cho thấy không đồng cấu trúc Al 2O32SiO2 Sự không đồng thành phần nguồn gốc phân tách vi pha Aluminosilicat (quan sát Hình 3.14) Sự phân bố mạng BOx B2 O3-2SiO2 phân bố đồng mạng AlO x B2O3-2SiO2 Có nghĩa cụm BO x phân bố khơng gian cụm AlO x (Quan sát Hình 3.14 Hình 3.15) Bảng 11: Phân bố số lượng liên kết chung góc, chung cạnh mặt SiO , Al2O 3-2SiO2 B2O3 -2SiO2 300K 3000K Phân bố số lượng liên kết chung góc chung cạnh đơn vị SiO Số lượng SiO2 Al2O3 -2SiO2 x B2O3 -2SiO2 300K 3000K 300K 3000K Liên kết chung góc 3033 3013 1025 1028 868 879 Liên kết chung cạnh 16 37 0 13 Phân bố số lượng liên kết chung góc, liên kết chung cạnh mặt MO (M=Al,B) Số lượng Al2O3-2SiO2 x 3000K 300K 3000K Liên kết chung góc 1030 1017 481 484 Liên kết chung cạnh 292 276 Liên kết chung mặt 0 Phân bố số lượng liên kết chung góc chung cạnh SiO Al2O3 -2SiO2 x MOx (M=Al,B) B2O -2SiO2 300K 3000K 300K 3000K Liên kết chung góc 1862 1794 1988 1891 Liên kết chung cạnh 28 47 19 43 3000K MOx B2O -2SiO2 300K Số lượng 300K Hình 18: Đám liên kết chung góc chung cạnh Al O3-2SiO2 300K: đám với kích thước 29 nguyên tử (ở bên trái) 30 nguyên tử (ở bên phải) Nguyên tử màu hồng nguyên tử Si; Nguyên tử màu vàng Al; Nguyên tử màu đen nguyên tử O Hình 19: Đám liên kết chung góc điển hình B 2O3 -2SiO2 300K: đám với kích cỡ 46 nguyên tử ( bên trái) 27 nguyên tử ( bên phải) Nguyên tử màu hồng nguyên tử Si ; Nguyên tử màu vàng nguyên tử B; Nguyên tử màu đen nguyên tử O Cấu trúc mạng hệ Silicat bao gồm liên kết chung góc, cạnh mặt đơn vị TOx (T = Si, Al, Bo) Phân bố số lượng liên kết chung cạnh, chung góc chung mặt Bảng 11 Hình 3.11, 3.19 Có thể thấy liên kết chung góc đơn vị TOx chiếm đa số Tại 300K, số lượng liên kết chung góc đơn vị SiO x SiO 2, Al2O 3-2SiO2, B O3-2SiO 3033, 1025 868 Tại 3000K, số lượng liên kết chung góc 3013, 1028 879 Hệ tồn số liên kết chung cạnh SiO2 (16 300K 37 3000K) B2O3-2SiO (2 300K 13 3000K) Đám liên kết chung cạnh chung góc điển hình trong Al2O 3-2SiO2 tính tồn biểu diễn Hình 3.18 Hình 3.19 Tại 300K, số lượng liên kết chung góc đơn vị MOx Al 2O 3-2SiO 2, B2O3-2SiO2 1030 481 Tại 3000K, số lượng 44 liên kết chung góc 1017 484 Đặc biệt, số lượng liên kết chung cạnh đơn vị MOx theo thứ tự 292 276 300K 3000K Al 2O32SiO2 Sự tồn liên kết chung cạnh nguyên nhân tách đỉnh hàm phân bố xuyên tâm g M-M Hình 3.1 Số lượng liên kết chung mặt tồn Al2 O3-2SiO2 3000K đơn vị MO x Từ Bảng 11, thấ ysố lượng liên kết chung góc, chung cạnh chung mặt không đổi trạng thái lỏng rắn Bảng 12: Phân bố chiều dài liên kết chung góc, chung cạnh chung mặt SiO , Al2O 3-2SiO2 B2O3 -2SiO2 300K 3000K.Ở đây, CSBL, ESBL FSBL liên kết chung góc, liên kết chung cạnh liên kết chung mặt Chiều dài trung bình liên kết chung góc liên kết chung cạnh đơn vị SiO Loại liên kết Al2 O3-2SiO2   300K 3000K 300K x B2O 3-2SiO2 3000K 300K 3000K CSBL 3.0932 3.1239 3.1890 3.2000 3.0740 3.1535 ESBL 2.2540 2.7323 - - 2.3368 2.7695 Chiều dài trung bình liên kết chung góc, liên kết chung cạnh liên kết trung mặt đơn vị MO x MOx Loại liên kết Al2O3-2SiO2 300K 3000K B2O3-2SiO2 300K 3000K CSBL 3.1884 3.2270 2.6925 2.7156 ESBL 2.7633 2.8382 - 2.4642 FSBL - 2.7365 - - Chiều dài trung bình liên kết chung góc liên kết chung cạnh đơn vị SiO Loại liên kết CSBL ESBL Al2O3-2SiO2 3000K 300K 3000K 3.2008 3.2197 2.8392 2.8911 2.8382 MOx B2O 3-2SiO2 300K 2.8732 x 2.1930 2.3505 Chi tiết chế kết hợpc cations B3+ Al 3+ vào mạng thủy tinh, phân bố tỷ lệ phần trăm OS, OAB SOAB Hình 3.20 Có thể thấy tỷ lệ phần trăm OS 31.91% (300K) 31.86% (3000K) Al2O3-2SiO2 Đối với B2 O3-2SiO2, tỷ lệ phần trăm OS 25.71% (300K) 27.54% (3000K) Phân tích chứng minh B2O3-2SiO2 Al 2O32SiO2 tồn khu vực tương tự thủy tinh tinh khiết Tỷ lệ phần trăm OAB 17.89% (300K) 18.03% (3000K) Al 2O3-2SiO Đối với B 2O32SiO2, tỷ lệ phần trăm OAB 14.14% (300K) 14.74% (3000K) Sự tồn OAB chứng minh tồn khu vực có cấu trúc tương tự Al2O3 B2O3 Borosilicate Aluminosilicate Trong mạng borosilicate, tồn tỷ lệ lớn SOAB với tỷ lệ phần trăm 60.14% (300K) 57.71% (3000K) Trong Aluminosilicate, tỷ lệ phần trăm SOAB 50.02% (300K) 50.11% (3000K) Điều chứng minh hầu hết cation B3+ Al3+ SOAB 45 Hình 20: Phân bố tỷ lệ phần trăm OS, OAB SOAB Trong OS Oxy liên kết với Silicon; OAB oxy liên kết với Al (hoặc B); SOAB oxygen liên kết với Si Al (hoặc B) Bảng 13: Tỷ lệ phần trăm (%) liên kết Al 2O3-2SiO2 B2O 3-2SiO2 300K 3000K Tỷ lệ phần trăm (%) liên kết Al 2O 3-2SiO 300K Liên kết Tỷ lệ (%) Liên kết Tỷ lệ (%) Liên kết Tỷ lệ (%) O-Al2 6.63 O-Si Al-O-Si 39.43 O-Al3 11 O-Si2 31.91 Al2-O-Si 10.23 O-Al4 0.26 O-Si3 Al-O-Si2 0.54 Tổng 17.89 31.91 Tổng Tổng 50.2 Tỷ lệ phần trăm (%) liên kết B2O3-2SiO 300K Liên kết Tỷ lệ (%) Liên kết Tỷ lệ (%) Liên kết Tỷ lệ (%) O-B 0.17 O-Si 0.17 B-O-Si 56.46 O-B2 13.97 O-Si2 25.26 B2-O-Si O-B3 O-Si3 0.29 B-O-Si2 2.69 Tổng 14.14 Tổng 25.72 Tổng 60.15 Tỷ lệ phần trăm (%) liên kết Al2O 3-2SiO2 3000K Liên kết Tỷ lệ (%) O-Al2 7.37 O-Si Si-O-Al O-Al3 10.2 O-Si2 31.86 Si-O-Al2 9.31 O-Al4 0.46 O-Si3 Si-O-Al3 0.09 O-Al5 O-Si4 Al-O-Si2 0.69 O-Al6 Liên kết Tỷ lệ (%) O-Si5 46 Liên kết Si2-O-Al2 Tỷ lệ (%) 40 0.03 Tổng 18.03 31.86 Tổng Tổng 50.12 Tỷ lệ phần trăm (%) liên kết B2O 3-2SiO 3000K Liên kết Tỷ lệ (%) Liên kết Tỷ lệ (%) Liên kết O-B 0.86 O-Si 1.23 B-O-Si 54.03 O-B2 13.86 O-Si2 25.97 B2-O-Si 1.14 O-B3 0.03 O-Si3 0.34 Tổng 14.75 Tổng 27.54 B-O-Si2 Tổng Tỷ lệ (%) 2.54 57.71 Bảng 13 phân bố tỷ lệ phần trăm loại liên kết Al 2O32SiO2 B2O3-2SiO2 300K 3000K Đối với Al 2O 3-2SiO 300K, lượng ions O2- liên kết với 2, cation Al 3+ 6.63%, 11% 0.26%; lượng ions O2- liên kết với cation Si4+ 31.91%; lượng ions O2- liên kết với Al3+ Si4+ 39.43%; lượng ion O2- liên kết với Al3+ Si4+ 10.23% Điều 300K ion Al3+ có xu hướng kết hợp vào mạng thủy tinh thông qua Al-O-Si vàe Al2-O-Si Tại 3000K, lượng ion O2- liên kết với 2, cation Al3+ theo thứ tự 7.37%, 10.2% 0.46%; lượng ion O 2- liên kết với cation Si4+ 31.86%; lượng ion O2- liên kết với Al 3+ Si4+ 40%; lượng ion O2- mà liên kết với Al3+ Si4+ 9.31% Xu hướng cation Al3+ kết hợp vào mạng thủy tinh 3000K tương tự với 300K Đối với B2O3-2SiO2 300K, lượng ion O2- mà liên kết với B3+ Si 4+ 56.46%; lượng ion O2mà liên kết với B3+ Si4+ 1%; lượng ion O2- mà liên kết với B 3+ Si4+ 2.69% Xu hướng ion Al3+ kết hợp vào mạng thủy tinh thông qua B-O-Si 47 KẾT LUẬN Bằng phương pháp tính tốn động lực học phân tử, xây dựng thành cơng mơ hình SiO2, Al2O 3-2SiO2 B 2O3-2SiO2 300K 3000K Các thông số cấu trúc phù hợp với cơng trình trước Do đó, mơ hình hồn tồn đáng tin cậy để khảo sát đặc điểm khác Cấu trúc hệ thủy tinh Silicat (SiO2 , Al2O3-2SiO2 B2O3-2SiO2 ) bao gồm đơn vị cấu trúc SiO Trong Aluminosilicate, hầu hết cation Al 3+ bao quanh O 2- Trong Borosilicate, hầu hết cation B3+ bao quanh O2- Trong hệ Al2O 3-2SiO2 , số nguyên tử oxy tạo thành cấu trúc tricluster O-Al chiếm khoảng 11% 10% tương ứng với hệ 300K 3000 K Tỷ lệ Cấu tricluster O-T3 (với T=Al, Si) tương ứng 300 3000 K 22% 19% Trong hệ Al2O3-2SiO 300 K, ngồi liên kết chung góc, đơn vị cấu trúc AlOx kết nối với thông qua liên kết chung cạnh nguyên nhân tách pích thứ HPBXT cặp Al-Al Trong hệ B2O3-2SiO2, khác lớn độ dài liên kết B-O Si-O nguyên nhân tượng tách pích thứ HPBXT cặp O-O Mức độ trật tự trạng thái rắn cao trạng thái lỏng Cơ chế kết hợp vào mạng thủy tinh Cation B 3+ Al3+ thông qua liên kết Si-O-M (M=B, Al) Sự phân tách vi pha Al2O3-2SiO thành hai mạng AlOx SiOx làm rõ Kỹ thuật trực quan hóa sử dụng để làm rõ đặc tính cấu trúc mạng -Si-O-, Al-O- -B-O- Trong hệ M2O3-2SiO (M=Al, B), Tồn khu vực giàu Al, giàu B giàu Si Cấu trúc chúng khu vực tương tự với cấu trúc Al2O3 B2 O3 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] V N B Koroleva, O N., L A Shabunina, “Structure of borosilicate glass according to raman spectroscopy data,” Glas Ceram., vol 67, no 11, pp 340–342, 2011 T Morikawa, H., MIWA, S I., Miyake, M., Marumo, F., & Sata, “Structural analysis of SiO2‐Al2O3 glasses,” J Am Ceram Soc., vol 65, no 2, pp 78– 81, 1982 S H Risbud, R J Kirkpatrick, A P Taglialavore, and B Montez, “Solidstate NMR Evidence of 4-, 5-, and 6-Fold Aluminum Sites in RollerQuenched SiO2-Al2O3 Glasses,” J Am Ceram Soc., vol 70, no 1, pp C10–C12, 1987 A Schneider, H., Voll, D., Saruhan, B., Sanz, J., Schrader, G., Rüscher, C., & Mosset, “Synthesis and structural characterization of non-crystalline mullite precursors,” J Non Cryst Solids, vol 178, pp 262–271, 1994 R Schmücker, M., Schneider, H., Poorteman, M., Cambier, F., & Meinhold, “Constitution of mullite glasses produced by ultra-rapid quenching of plasma-sprayed melts,” J Eur Ceram Soc., vol 15, no 12, pp 1201–1205, 1995 S Sanz, J., Madani, A., Serratosa, J M., Moya, J S., & Aza, “Aluminum‐ 27 and Silicon‐29 magic‐angle spinning nuclear magnetic resonance study of the kaolinite‐mullite transformation,” J Am Ceram Soc., vol 71, no 10, pp C418–C421, 1988 J J Lambert, J F., Millman, W S., & Fripiat, “Revisiting kaolinite dehydroxylation: A silicon-29 and aluminum-27 MAS NMR study,” J Am Chem Soc., vol 111, no 10, pp 3517–3522, 1989 J Rocha, J., & Klinowski, “29 Si and 27 Al magic-angle-spinning NMR studies of the thermal transformation of kaolinite,” Phys Chem Miner., vol 17, no 2, pp 179–186, 1990 T W Meinhold, R H., Slade, R C T., & Davies, “High-field 27 Al MAS NMR studies of the formation of metakaolinite by flash calcination of kaolinite,” Appl Magn Reson., vol 4, no 1, pp 141–155, 1993 I Kushiro, “Changes in viscosity and structure of melt of NaAlSi2O6 composition at high pressures,” J Geophys Res., vol 81, no 35, pp 6347– 6350, 1976 E B Watson, “Calcium diffusion in a simple silicate melt to 30 kbar,” Geochim Cosmochim Acta, vol 43, no 3, pp 313–322, 1979 E B Watson, “Diffusion in magmas at depth in the Earth: the effects of pressure and dissolved H2O,” Earth Planet Sci Lett., vol 52, no 2, pp 291–301, 1981 D (Eds Bach, H., & Krause, Analysis of the composition and structure of glass and glass ceramics Springer Science & Business Media, 2013 C J Wilding, M C., & Benmore, “Structure of glasses and melts Reviews in mineralogy and geochemistry,” Rev Mineral geochemistry, vol 63, no 1, pp 275–311, 2006 H Okuno, M., Zotov, N., Schmücker, M., & Schneider, “Structure of SiO2– 49 [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] Al2O3 glasses: Combined X-ray diffraction, IR and Raman studies,” J Non Cryst Solids, vol 351, no 12–13, pp 1032–1038, 2005 G N Greaves, “EXAFS and the structure of glass,” J Non Cryst Solids, vol 71, no 1–3, pp 203–217, 1985 R E Sen, S., & Youngman, “High-resolution multinuclear NMR structural study of binary aluminosilicate and other related glasses,” J Phys Chem B, vol 108, no 23, pp 7557–7564, 2004 M Xue, X., & Kanzaki, “NMR characteristics of possible oxygen sites in aluminosilicate glasses and melts: an ab initio study,” J Phys Chem B, vol 103, no 49, pp 10816–10830, 1999 Z Stebbins, J F., & Xu, “NMR evidence for excess non-bridging oxygen in an aluminosilicate glass,” Nature, vol 390, no 6655, pp 60–62, 1997 J F Lee, S K., & Stebbins, “The structure of aluminosilicate glasses: Highresolution 17O and 27Al MAS and 3QMAS NMR study,” J Phys Chem B, vol 104, no 17, pp 4091–4100, 2000 M J Kubicki, J D., & Toplis, “Molecular orbital calculations on aluminosilicate tricluster molecules: Implications for the structure of aluminosilicate glasses,” Am Mineral., vol 87, no 5–6, pp 668–678, 2002 T Toplis, M J., Dingwell, D B., Hess, K U., & Lenci, “Viscosity, fragility, and configurational entropy of melts along the join SiO2-NaAlSiO4,” Am Mineral., vol 82, no 9–10, pp 979–990, 1997 B G Parkinson, “Influence of composition on structure and caesium volatilisation from glasses for hlw confinement,” University of Warwick, 2007 S Cousens, D R., & Myhra, “The effects of ionizing radiation on HLW glasses,” J Non Cryst Solids, vol 54, no 3, pp 345–365, 1983 P Y Shih, “Properties and FTIR spectra of lead phosphate glasses for nuclear waste immobilization,” Mater Chem Phys., vol 80, no 1, pp 299– 304, 2003 T M Click, C A., Brow, R K., & Alam, “Properties and structure of cesium phosphate glasses,” J Non Cryst Solids, vol 311, no 3, pp 294–303, 2002 C G Wood, J G., Prabakar, S., Mueller, K T., & Pantano, “The effects of antimony oxide on the structure of alkaline-earth alumino borosilicate glasses,” J Non Cryst Solids, vol 349, pp 276–284, 2004 H Okura, T., Miyachi, T., & Monma, “Properties and vibrational spectra of magnesium phosphate glasses for nuclear waste immobilization,” J Eur Ceram Soc., vol 26, no 4–5, pp 831–836, 2006 O G Ojovan, M I., & Batyukhnova, “Glasses for nuclear waste immobilization,” WM 7, vol 15, 2007 and W A W G C Maitland, M Rigby, E B Smith, Intermolecular forces Oxford: Clarendon Press, 1981 D C R Rapaport, D C., & Rapaport, The art of molecular dynamics simulation Cambridge university press, 2004 J R Rustad, D A Yuen, and F J Spera, “Molecular dynamics of liquid SiO2 under pressure,” Phys Rev B, vol 42, no 4, pp 2081–2090, 1990 50 [33] P K Hung, N V Hong, and L T Vinh, “Diffusion and structure in silica liquid: A molecular dynamics simulation,” J Phys Condens Matter, vol 19, no 46, 2007 [34] M Wang, N M Anoop Krishnan, B Wang, M M Smedskjaer, J C Mauro, and M Bauchy, “A new transferable interatomic potential for molecular dynamics simulations of borosilicate glasses,” J Non Cryst Solids, vol 498, no April, pp 294–304, 2018 [35] P Sahu et al., “Molecular dynamics simulations of simplified sodium borosilicate glasses: The effect of composition on structure and dynamics,” Phys Chem Chem Phys., vol 23, no 27, pp 14898–14912, 2021 [36] N V Hong, N V Yen, M T Lan, and P K Hung, “Coordination and polyamorphism of aluminium silicate under high pressure: Insight from analysis and visualization of molecular dynamics data,” Can J Phys., vol 92, no 12, pp 1573–1580, 2014 [37] V Van Hoang, “Dynamical heterogeneity and diffusion in high-density Al2O3·2SiO2 melts,” Phys B Condens Matter, vol 400, no 1–2, pp 278– 286, 2007 [38] L Zhang, S Sun, and S Jahanshahi, “Molecular dynamics simulations of silicate slags and slag-solid interfaces,” J Non Cryst Solids, vol 282, no 1, pp 24–29, 2001 [39] L Sundararaman, S., Ching, W Y., & Huang, “Mechanical properties of silica glass predicted by a pair-wise potential in molecular dynamics simulations,” J Non Cryst Solids, vol 445, pp 102–109, 2016 [40] N H Hoang, V V., Linh, N N., & Hung, “Structure and dynamics of liquid and amorphous Al2O3 2SiO2,” Eur Phys Journal-Applied Phys., vol 37, no 1, pp 111–118, 2007 [41] N M Trease, T M Clark, P J Grandinetti, J F Stebbins, and S Sen, “Bond length-bond angle correlation in densified silica - Results from 17O NMR spectroscopy,” J Chem Phys., vol 146, no 18, 2017 [42] C J Benmore et al., “Structural and topological changes in silica glass at pressure,” Phys Rev B - Condens Matter Mater Phys., vol 81, no 5, pp 1–5, 2010 [43] L Ding et al., “Atomic structure of hot compressed borosilicate glasses,” J Am Ceram Soc., vol 103, no 11, pp 6215–6225, 2020 [44] A F Alharbi, K Jolley, R Smith, A J Archer, and J K Christie, “A new potential for radiation studies of borosilicate glass,” Nucl Instruments Methods Phys Res Sect B Beam Interact with Mater Atoms, vol 393, pp 73–76, 2017 [45] N T Nhan, G T T Trang, T Iitaka, and N Van Hong, “Crystallization of amorphous silica under compression,” Can J Phys., vol 97, no 10, pp 1133–1139, 2019 [46] N Thu Nhan and P Khac Hung, “New analysis characterizing the dynamics heterogeneity and microstructure in liquid silicates,” J Phys Conf Ser., vol 1506, no 1, 2020 [47] M T Lan, T Iitaka, and N Van Hong, “Simulation of structural 51 [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] characteristics of Mullite melt at high pressure,” Int J Mod Phys B, vol 32, no 24, pp 1–20, 2018 L T Mai, Y Van Nguyen, H Van Nguyen, and H K Pham, “Visualisationbased analysis of structure and dynamics of liquid aluminosilicate under compression,” Phys Chem Liq., vol 55, no 1, pp 62–84, 2017 W Soppe, C van der Marel, W F van Gunsteren, and H W den Hartog, “New insights into the structure of B2O3 glass,” J Non Cryst Solids, vol 103, no 2–3, pp 201–209, 1988 T F Soules, “A molecular dynamic calculation of the structure of B2O glass,” J Chem Phys., vol 73, no 8, pp 4032–4036, 1980 P Lamparter and R Kniep, “Structure of amorphous Al2O3,” Phys B Condens Matter, vol 234–236, pp 405–406, 1997 S K Lee, S B Lee, S Y Park, Y S Yi, and C W Ahn, “Structure of amorphous aluminum oxide,” Phys Rev Lett., vol 103, no 9, pp 4–7, 2009 N Li and W Y Ching, “Structural, electronic and optical properties of a large random network model of amorphous SiO2 glass,” J Non Cryst Solids, vol 383, pp 28–32, 2014 N V Hung, P K., & Hong, “Simulation study of polymorphism and diffusion anomaly for SiO and GeO liquid,” Eur Phys J B, vol 71, no 1, pp 105–110, 2009 52