6. Cấu trỳc của đề tài
2.4.4. Xỏc định cơ chế khuếch tỏn
trong đú: 1 2 1 1 2 1 1 2 1 2 2 3 2 2 3 2 2 3 ; ; ; ; ; ; l x x m y y n z z l x x m y y n z z (2.45)
Ở đõy, trật tự của cỏc toạ độ x1, x2, x3 (tương tự với toạ độ y và z) đúng vai trũ quan trọng trong việc xỏc định sự phõn bố gúc. Gúc Si-O-Si được xỏc định hoàn toàn tương tự như đối với gúc O-Si-O.
2.4.4. Xỏc định cơ chế khuếch tỏn
Cỏc mẫu vật liệu khỏc nhau và cỏc phương phỏp phõn tớch khỏc nhau đó đạt được thành cụng về việc mụ tả cơ chế khuếch tỏn tập thể trong chất lỏng siờu lạnh. Quỏ trỡnh khuếch tỏn trong vật liệu ụ xớt SiO2 ở trạng thỏi lỏng là chủ đề của những nghiờn cứu chuyờn sõu trong cỏc thập kỷ qua. Kể từ năm 1965, Adam và Gibbs [3] đề xuất một lý thuyết để mụ tả sự chuyển động của chất lỏng siờu lạnh. Lý thuyết này cho rằng cỏc chất lỏng thay đổi cấu trỳc của nú theo cỏc vựng độc lập. Cỏc vựng cú chứa cỏc nguyờn tử lại cú xu hướng hỡnh thành cỏc đỏm, từ đú phỏt triển cỏc khỏi niệm về động lực học khụng gian khụng đồng nhất. Đối với cỏc chất lỏng động khụng đồng nhất cũng được xõy dựng bởi cỏc thớ nghiệm và mụ phỏng. Kết quả thấy rằng hầu hết cỏc nguyờn tử linh động và khụng linh động đó hỡnh thành cỏc đi chuyển chậm và nhanh trong khụng gian. Chỳng tụi đó nghiờn cứu sự khuếch tỏn trong SiO2 lỏng sau một cỏch tiếp cận rằng sự di chuyển cỏc hạt được đỏnh giỏ thụng qua phản ứng SiOxSiOx' với x, x'=4, 5 và OSiy OSiy' với y, y'=2.
Hỡnh 2.2. Mụ hỡnh húa cỏc loại phản ứng trong SiO2 lỏng
A) là phản ứng SiO4SiO5, SiO5SiO4 và liờn kết Si12- O2 được thay thế bởi liờn kết Si12- O6;
B) là phản ứng SiO5SiO4, SiO4SiO5 và cỏc liờn kết Si10- O5 bị hỏng, sau đú phục hồi. Ở đõy, hỡnh cầu
màu đen và màu xỏm vẽ nguyờn tử O và nguyờn tử Si; đường nối cỏc nguyờn tử Si-O là liờn kết Si-O.
Hỡnh 2.2 minh họa việc sắp xếp cỏc nguyờn tử trong cỏc ụ phối trớ khi hai phản ứng xảy ra: ở hỡnh 2.2(a) là phản ứng SiO4SiO5, SiO5SiO4 xảy ra và liờn kết Si12- O2 được thay thế bởi Si12- O6; hỡnh 2.2(b) là phản ứng SiO5SiO4, SiO4SiO5 xảy ra khi cỏc liờn kết Si10- O5 bị hỏng, sau đú phục hồi. Khi một phản ứng xảy ra, liờn kết hiện tại bị phỏ vỡ hoặc liờn kết mới được tạo ra: trong trường hợp thứ nhất một liờn kết được thay thế bằng một liờn kết mới, trong trường hợp thứ hai một liờn kết bị phỏ vỡ sau đú hồi phục, cỏc nguyờn tử trong trường hợp thứ hai gần như chỉ dao động xung quanh vị trớ cõn bằng cố định. Phản ứng trong trường hợp đầu tiờn gọi là phản ứng cú hiệu quả và nú chiếm ưu thế. Chỳng tụi nghiờn cứu tỉ lệ phản ứng cú hiệu quả để chỉ ra sự khuếch tỏn trong chất lỏng SiO2. Hằng số khuếch tỏn cú thể được mụ tả bởi:
A) 1 2 3 4 12 1 2 3 4 12 6 1 3 4 12 6 1 2 3 4 10 5 1 2 3 4 10 1 2 3 4 10 5 B)
2
D = <r (t)> f (2.46)
Trong đú <r2(t)> là độ dịch chuyển bỡnh phương trung bỡnh của nguyờn tử cho mỗi phản ứng cú hiệu quả; D là tốc độ phản ứng; f là tỉ lệ phản ứng cú hiệu quả.
Một đỏm được định nghĩa là một tập cỏc nguyờn tử mà mỗi nguyờn tử cú thể kết nối với nhau thụng qua một đường dẫn bao gồm cỏc liờn kết. Việc xỏc định cỏc đỏm từ cỏc nguyờn tử N được thực hiện như sau. Thứ nhất, tất cả cỏc liờn kết được xỏc định hỡnh thành từ N cỏc nguyờn tử. Sau đú, mỗi nguyờn tử được gỏn cho một nhón đỏm i; i = 1, 2, .. N. Tiếp theo, nguyờn tử k1 sẽ được gỏn lại cho nhón mới, nếu nú tạo thành một liờn kết với một nguyờn tử k2 và k1≠ k2. Cả hai nguyờn tử được gỏn lại cho nhón k1 nếu k1 <k2, nếu khụng k2. Thủ tục gỏn nhón đỏm đó được thực hiện cho đến khi tất cả cỏc cặp nguyờn tử tạo thành một liờn kết cú cựng một nhón.
Mụ phỏng cho thấy trong SiO2 chứa một lượng nhỏ cỏc khuyết tật (sai hỏng mạng). Khuyết tật phõn bố khụng đồng nhất trong chất lỏng mà chỳng cú xu hướng di chuyển lại gần nhau và tạo thành đỏm. Quỏ trỡnh khuếch tỏn thực hiện chủ yếu thụng qua phản ứng SiOxSiOx' với x, x'=4, 5 và OSiy OSiy' với y, y'=2, 3. Phản ứng SiOxSiOx' xảy ra khụng phải ngẫu nhiờn mà cú xu hướng tạo thành đỏm. Chỳng tụi phỏt hiện trong SiO2 cú hai loại đỏm. Đỏm thứ nhất gồm cỏc nguyờn tử mà khụng cú phản ứng SiOxSiOx' nào xảy ra. Đỏm thứ hai cú nguyờn tử ở đú phản ứng SiOxSiOx' xảy ra tuần hoàn.
Chỳng tụi xỏc định độ linh động của nguyờn tử trong đỏm khụng phản ứng so với đỏm phản ứng và xỏc định kớch thước của hai đỏm mụ tả phụ thuộc vàhời gian mụ phỏng và nhiệt độ. Từ đú xỏc định được cơ chế khuếch tỏn trong SiO lỏng.
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong chương này, trước tiờn chỳng tụi khảo sỏt cấu trỳc của SiO2 lỏng trong khoảng ỏp suất từ 0 đến 25 GPa ở nhiệt độ 3200 K. Tiếp theo chỳng tụi khảo sỏt tớnh đa thự hỡnh của SiO2 lỏng. Cuối cựng, chỳng tụi khảo sỏt cơ chế khuếch tỏn của nguyờn tử Si và nguyờn tử O theo quan điểm khuếch tỏn theo đỏm địa phương.