Trên bảng 1 liệt kê các nguyên tử thuộc cấu trúc tinh thể fcc, hcp và VĐH của mẫu hạt nano và khối tại 300 K với ba tốc độ làm lạnh khác nhau.. Ở đây chúng ta nhận thấy rằng khi tốc độ[r]
(1)MÔ cấu trúc hạt nano ni q trình nguội nhanh mơ động
lực học phân tử
Lê văn long*, Lê văn vinh**, Hồ quang quý***
Túm tt: Các hạt nano Ni chứa từ 256 đến 4000 nguyên tử mô phương pháp động lực học phân tử với nhúng Sutton-Chen Các mẫu hạt nano Ni có cấu trúc tinh thể lí tưởng nung nóng đến 2000 K làm lạnh xuống tới
300 K với tốc độ làm lạnh 21014 K/s, 41013 K/s 41012 K/s Với tốc độ làm
lạnh nhanh 21014 K/s hạt nano Ni có kích thước nhỏ, cấu trúc hạt nano vơ
định hình nhiệt độ 300 K Với tốc độ chậm hơn, mẫu hạt nano Ni có cấu trúc trộn lẫn tinh thể fcc, hcp vơ định hình Mẫu hạt nano có cấu trúc tinh thể, nguyên tử tinh thể fcc hcp liên kết tạo thành đám tinh thể Các nguyên tử thuộc cấu trúc tinh thể chia làm tinh thể lõi vỏ Các nguyên tử fcc hcp lõi thấp đến nguyên tử fcc hcp vỏ, ngun tử vơ định hình lớn Lớp ngồi mẫu hạt nano Ni hầu hết nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ vơ định hình Dựa động lực học, kết mô cơng trình số tính chất cấu trúc nano Ni trình làm nguội nhanh.
Từ khóa: Mơ phỏng, Hạt nano Ni, Tinh thể hóa
1 giíi thiƯu
(2)có chuyển pha từ lỏng sang rắn H Akbarzadeh cộng [17] kích thước hạt nano Ni tăng làm giảm lượng bề mặt Như vậy, kết mô nghiên cứu chuyển pha từ lỏng sang rắn hạt nano Ni cho thấy q trình tinh thể hóa thành tinh thể fcc Ngoài ra, kết hạt nano Ni cịn có cấu trúc bền vững cấu trúc hai mươi mặt tám mặt Trong đó, thực nghiệm chế tạo hạt nano Ni có cấu trúc fcc, hcp, cấu trúc trộn lẫn fcc hcp [10] Điều cho thấy cần có thêm nghiên cứu mơ tiến trình nguội nhanh tạo thành cấu trúc hạt nano Ni, câu hỏi đặt liệu mô có quan sát thấy cấu trúc hcp hạt nano Ni?
Trong báo này, sử dụng mô ĐLHPT để nghiên cứu cấu trúc hạt nano Ni trình nguội nhanh từ pha lỏng sang pha rắn với tốc độ nguội khác Các cơng cụ phân tích cấu trúc hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), nguyên tử lân cận chung (common neighbor analysis-CNA) hiển thị trực quan sử dụng để phân tích cấu trúc hạt nano Ni vật liệu khối sử dụng để đối chứng
2 PHƯƠNG PHáP TíNH TOáN
Phng phỏp LHPT c sử dụng để mô hạt nano Ni Chúng sử dụng tương tác nhúng SC [18] để mô tả tương tác nguyên tử Ni Các thông số tương tác tối ưu để mô tả độ xác số mạng, lượng liên kết, mô-đun đàn hồi, lượng bề mặt, điều dẫn tới việc mơ tả xác nhiều tính chất kim loại Ni Tổng lượng tương tác Ni đưa dạng công thức sau:
i j i ij i
tot V(r ) c ρ
2 ε
U , (1)
n ij ij r a ) r ( V
, (2)
i j m ij i r
a , (3)
ở đây, V(rij) cặp cho tương tác đẩy nguyên tử thứ i nguyên tử thứ j, rij khoảng nguyên tử i j, i tổng mật độ điện tích điện tử tính cho lực liên kết liên quan tới nguyên tử i, mức lượng chung, c thông số không thứ nguyên, a thông số tỉ lệ chiều dài cho tất không gian, cuối thông số n m số nguyên dương với n>m Đối với Ni, thông số tính tốn sau: =0,015707 eV, c=39.432, a=3.52 Å, m=6 n=9 [19]
(3)được đặt khơng gian mơ hình hộp lập phương tích gấp lần thể tích mẫu dạng fcc lý tưởng Tiếp theo mẫu đun nóng từ 300 K tới 2000 K với tốc độ đun nóng 4K/ps sau mẫu đun tiếp nhiệt độ 2000 K hệ trạng thái cân với khoảng thời gian đun 100 ps Các mẫu đạt 300 K cách làm nguội với tốc độ làm nguội 200, 40, K/ps Trong tính tốn mơ này, điều chỉnh áp suất không sử dụng Các tính tốn HPBXT sử dụng để phân tích cấu trúc địa phương hạt nano Trong tính tốn HPBXT, để tính thể tích hạt nano chúng tơi sử dụng bán kính hạt nano tính sau:
Ni g
c R 5/3 R
R (4)
ỏ đây, Rg bán kính hồi chuyển tính,
i
2 cm i
g (R R )
N
R (5)
ở đây, Rcm tọa độ khối tâm hạt nano Ri tọa độ nguyên tử hạt nano Bán kính nguyên tử hạt nano Ni tính nửa đường kính nguyên tử mẫu khối, RNi=1,25 Å Để xác nguyên tử tinh thể mẫu hạt nano, phân tích CNA sử dụng để phát nguyên tử thuộc mạng tinh thể [20]
3 KÕT QU¶ Và THảO LUậN Trờn hỡnh l cỏc trng thỏi hạt nano M2
Hình Hình chụp mẫu hạt nano M2: a) mạng fcc Ni lý tưởng, b) 2000 K, c)
300 K với tốc độ làm lạnh 21014 K/s, d) 300 K với tốc độ làm lạnh 41013 K/s
và e) 300 K với tốc độ làm lạnh 41012 K/s
(4)đối khác Để làm rõ cấu trúc chi tiết chúng, ta cần phải sử dụng kỹ thuật phân tích cấu trúc HPBXT CNA
Trên hình (potential energy - PE) trung bình nguyên tử thuộc hạt nano Ni phụ thuộc vào nhiệt độ tốc độ làm lạnh Thế trung bình nguyên tử thuộc vật liệu khối đưa hình Chúng ta dễ dàng nhận thấy dao động mạnh nhiệt độ cao dao động giảm nhiệt độ giảm Thế vật liệu khối nhỏ nhất, đến nguyên tử thuộc mẫu M5, M4, M3, M2 M1, tương ứng Điều cho thấy phụ thuộc vào số nguyên tử hạt nano Ngồi ra, cịn nhận thấy với tốc độ làm lạnh khác khác Cụ thể, tốc độ làm lạnh chậm nguyên tử nhỏ Điều cho thấy cấu trúc hạt nano khác tốc độ làm lạnh khác Hơn nữa, với tốc độ làm lạnh =41012 K/s quan sát thấy nguyên tử thay đổi đột ngột khoảng nhiệt độ từ 550 đến 700 K Sự thay đổi đột ngột nguyên tử có chuyển pha cấu trúc nguyên tử
0 0 0 0 -
- - - - - - -
5 0 0 0 0 0 0
= x 01
K / s
M M M M M
B u l k
P
E
(e
V
/a
to
m
)
= x 01
K / s
T ( K )
= x 01
K / s
Hình Thế (Potential energy-PE) vật liệu khối hạt nano Ni phụ thuộc vào nhiệt độ tốc độ làm lạnh
(5)và 1000 K, HPBXT có dạng đặc trưng chất lỏng Khi nhiệt độ giảm xuống 700 K, đỉnh thứ hai có dấu hiệu tách thành hai đỉnh nhỏ, đặc trưng vật liệu VĐH Tại 500 K, nhận thấy HPBXT hạt nano có cấu trúc tinh thể Để làm rõ cấu trúc tinh thể hạt nano, cần cơng cụ phân tích cấu trúc CNA
0 1
2
0 1
2
(a)
b u lk
M M
M M M
= x 01 K /s
g
(r
)
(b )
b u lk
M
M M M
M
= x 01 K /s
(c)
bulk M M M M M = x 01
K /s
r(A0
)
(d ) = x 01
K /s M
3 0 K 0 K 0 K 0 K
2 0 K
Hình HPBXT vật liệu khối hạt nano Ni: a) T= 300 K =41012
K/s, b) T= 300 K =41013 K/s, c) T= 300 K =21014 K/s, d) Mẫu M4
nhiệt độ khác =41012 K/s
(6)độ làm lạnh =41012 K/s, số nguyên tử VĐH mẫu 37,5%, 20,9%, 8,8%, 6,3%, 5,6% 8,2% tương ứng với mẫu M1, M2, M3, M4, M5 mẫu khối Tương phản với số nguyên tử VĐH mẫu giảm, nguyên tử fcc hcp mẫu tăng lên Việc quan sát thấy nguyên tử fcc hcp mẫu hạt nano Ni thực mô [17] thực nghiệm [10] Như vậy, việc điều khiển tốc độ làm lạnh khác tạo nên hạt nano Ni có cấu trúc nguyên tử khác Để tạo hạt nano Ni có cấu trúc VĐH kích cỡ hạt phải nhỏ tốc độ làm lạnh lớn, cụ thể mẫu hạt nano M1 (256 nguyên tử) tốc độ làm lạnh lơn =41013 K/s, cịn khơng ta nhận mẫu hạt nano có cấu trúc nguyên tử fcc, hcp VĐH
Bảng Bán kính hạt nano, tỉ lệ nguyên tử tinh thể VĐH hạt nano
tại 300 K phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh
Mẫu (K/s) R(Å) Tỉ lệ
fcc lõi fcc vỏ hcp lõi hcp vỏ VĐH
M1 21014 10,02 0 0
41013 10,00 0 0
41012 9,97 0,020 0,121 0,098 0,387 0,375
M2 21014 14,51 0 0,001 0,014 0,970
41013 14,48 0,008 0,065 0,020 0,087 0,821 41012 14,41 0,138 0,331 0,161 0,161 0,209 M3 21014 16,73 0,003 0,030 0,004 0,034 0,913 41013 16,68 0,013 0,075 0,022 0,105 0,776 41012 16,64 0,238 0,357 0,198 0,120 0,088 M4 21014 21,23 0,002 0,019 0,005 0,047 0,922 41013 21,16 0,010 0,050 0,014 0,090 0,833 41012 21,08 0,229 0,355 0,222 0,131 0,063 M5 21014 23,44 0,001 0,010 0,001 0,009 0,979 41013 23,40 0,004 0,035 0,010 0,087 0,866 41012 23,26 0,355 0,296 0,206 0,086 0,056
Khối 21014 - 0 0,001 0,006 0,994
41013 - 0,003 0,028 0,005 0,046 0,919
41012 - 0,189 0,342 0,223 0,161 0,082
Trên hình tinh thể fcc hcp mẫu hạt nano Ni M1-M5 làm lạnh với tốc độ =41012 K/s Ở ta dễ dàng quan sát thấy tinh thể fcc hcp hạt nano Ni liên kết với tạo thành đám (cluster) tinh thể Các nguyên tử thuộc fcc hcp vỏ có xu hướng bề mặt đám tinh thể Ta biết khối nguyên tử bền vững khối nguyên tử đạt giá trị thấp Trên hình trung bình nguyên tử tinh thể fcc, hcp VĐH mẫu hạt nano Ni M5 300 K với tốc độ làm lạnh
(7)tới bên ta làm sau: từ điểm khối tâm hạt nano, ta chia hạt nano thành lớp cầu có bề dày Å thống kê nguyên tử lớp thuộc tinh thể fcc, hcp VĐH Trên bảng thống kê nguyên tử lớp thuộc thuộc tinh thể fcc, hcp VĐH mẫu M5 Ta nhận thấy rằng, lớp (lớp 1) tồn nguyên tử thuộc fcc vỏ, hcp vỏ không thấy nguyên tử VĐH Lớp thứ thấy xuất nguyên tử VĐH nguyên tử thuộc fcc vỏ, hcp vỏ tăng lên Ở lớp (lớp 5) số nguyên tử VĐH nguyên tử thuộc fcc vỏ, hcp vỏ đạt số lượng lớn Như vậy, lớp hạt nano Ni chủ yếu nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ VĐH
Hình Tinh thể fcc hcp hạt nano Ni với tốc độ làm lạnh
=41012 K/s: a) M1, b) M2, c) M3, d) M4 e) M5
Hình Năng lượng trung bình nguyên tử nguyên tử fcc,
hcp VĐH mẫu M5 300 K với tốc độ làm lạnh =41012 K/s
Bảng Thống kê nguyên tử lớp thuộc tinh thể fcc, hcp VĐH mẫu
M5 300 K tốc độ làm lạnh =41012 K/s
Lớp Số nguyên tử
fcc lõi fcc vỏ hcp lõi hcp vỏ VĐH
1 21 16
2 135 64 105 22
3 441 135 269 36 18
4 790 359 424 91 86
5 34 610 19 192 119
4 KẾT LUẬN