Nghiên cứu khuếch tán trong lưới mất trật tự (mơ hình lý thuyết) đã cho thấy xuất hiện hiệu ứng tương quan và mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng này đối với quá trình khuếch tán. Hiệu ứng này xuất hiện khi xác suất dịch chuyển của nguyên tử khuếch tán theo các hướng là khơng như nhau, có hướng ưu tiên rõ rệt. Hiệu ứng này càng mạnh khi sự khác nhau của xác suất dịch chuyển nguyên tử khuếch tán càng lớn. Khi đó, nếu nguyên tử khueehcs
tán có hướng ưu tiên dịch chuyển thì một số lượng lớn các bước dịch chuyển sẽ lặp lại trong thể tích nhỏ hẹp, dẫn đến q trình khuếch tán xảy ra rất chậm, cản trở khuếch tán. Cụ thể, trường hợp một hạt, lưới mất trật tự năng lượng vị trí có hệ số tương quan F ln bằng 1 và đối với lưới mất trật tự chuyển tiếp, hệ số tương quan F giảm đồng biến theo nhiệt độ. Tương tự như vậy, khuếch tán nhiều hạt cho thấy ảnh hưởng rõ rệt hơn của hiệu ứng tương quan. Khuếch tán dị thường xảy ra đối với lưới mất trật tự kết hợp do ảnh hưởng của hiệu ứng tương quan do hệ nhiều hạt gây nên. Vì vậy, hiệu ứng tương quan cần được nghiên cứu chi tiết, có thể hiệu ứng này là nguyên nhân của một số hiện tượng vật lý mà đến nay vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng. Xuất phát từ đó, nghiên cứu tập trung vào quá trình khuếch tán trong hệ thực. Đối tượng được hướng đến ở đây là các hệ chất lỏng có cấu trúc mạng. Khi đó, ngồi yếu tố tần suất nhảy của nguyên tử khuếch tán, chúng tôi sẽ xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng tương quan.
Quá trình khuếch tán trong hệ chất lỏng cấu trúc mạng đã được nghiên cứu tập trưng [25,73,103,48]. Nhiều nghiên cứu được đưa ra nhằm giải thích tường minh các hiện tượng động học cũng như khuếch tán diễn ra trong chất lỏng cấu trúc mạng như lý thuyết ghép nối (mode coupling theory) [103], lí thuyết Adam-Gibb[19], lý thuyết thể tích tự do (Free volume theory) [96] hay các mơ hình thực nghiệm và mô phỏng như mơ hình thấm (percolation model) [18], mơ hình chất lỏng q nguội [30], mơ hình nhỏ kiểm tra [46]. Tuy nhiên, cơ chế nguyên tử của quá trình này vẫn chưa được hiểu rõ. Hiệu ứng tương quan đã được nghiên cứu [80], đối với hệ mất trật tự bởi nhóm tác giả P.K.Hùng. Đây là hiệu ứng có liên quan đến hiện tượng nguyên tử nhảy đi nhảy lại trong môt vùng không gian hẹp. Dẫn đến dù tần suất dịch chuyển các hạt rất lớn nhưng hệ số khuếch tán nhỏ, quá trình khuếch tán diễn ra rất chậm.
Đối với hệ thực, cụ thể là hệ chất lỏng cấu trúc mạng, được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc cơ bản TOx [17, 73, 114 ] thì khuếch tán chỉ diễn ra khi có
sự thay đổi các đơn vị cấu trúc. Tức là diễn ra q trình thay đổi các ơ xy lân cận trong đơn vị cấu trúc. Do đó, cách thức chuyển đổi các lân cận (hay nói cách khác là các chuyển đổi đơn vị cấu trúc) sẽ tương tự như sự dịch chuyển của nguyên tử khuếch tán trong mơ hình mất trật tự lý thuyết đã nghiên cứu. Và khi đó, hiệu ứng tương quan sẽ là đại lượng mang các đặc trưng liên quan đến tần suất chuyển đổi lân cận, cũng như độ dài dịch chuyển của các nguyên tử…. Thông qua hiệu ứng này chúng ta có thể khảo sát, tiếp cận khuếch tán, cũng như các tính chất động học trong hệ cấu trúc mạng theo phương pháp mới là dựa trên quan điểm chuyển đổi đơn vị cấu trúc. Và hiệu ứng tương quan có thể là nguyên nhân gây nên các hiện tượng động học trong chất lỏng cấu trúc mạng mà thực nghiệm quan sát được như không đồng nhất, khuếch tán dị thường, suy giảm động học ở điểm nhiệt chuyển pha thủy tinh…
Chương 2. MÔ PHỎNG KHUẾCH TÁN TRÊN LƯỚI MẤT TRẬT TỰ
Quá trình khuếch tán xảy ra trên lưới mất trật tự được khảo sát thông qua phương pháp mô phỏng Monte Carlo (MC) động. Đây là phương pháp đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước. Do đó, luận án sẽ chỉ trình bày ngắn gọn thuật tốn và cách thức mơ phỏng trong phạm vi luận án.
2.1. Phương pháp Monte Carlo động
Hiện nay, khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, các nghiên cứu thực nghiệm đã có rất nhiều bước tiến đáng kể. Việc thực hiện được một số khảo sát mà thực nghiệm trước đây không thể tiến hành được đã cho thấy điều đó. Tuy nhiên, vẫn cịn một số nghiên cứu nếu tiến hành bằng thực nghiệm sẽ gặp rất khó khăn và khơng khả thi. Do đó, nghiên cứu bằng các mơ hình mơ phỏng máy tính đã được xem xét và cho đến nay thì ngày càng phát triển. Đối với mơ phỏng máy tính, phương pháp MC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học, đời sống và cơng nghệ chế tạo vật liệu, có thể dùng để khảo sát các đặc trưng vật lý như: Mơ phỏng cấu trúc, tính chất nhiệt động, tính chất khuếch tán, tính chất từ,… của các loại vật liệu (lỏng và vô định hình). Việc xây dựng mơ hình nghiên cứu sử dụng phương pháp MC đã cho các mẫu có các đặc trưng vi cấu trúc phù hợp tốt với thực nghiệm. Vì vậy, các kết quả khảo sát các đặc trưng và tính chất của vật liệu là đáng tin cậy, có thể dùng để dự đốn tính chất mới cũng như chế tạo các loại vật liệu mới.
Đối với nghiên cứu của luận án, khảo sát khuếch tán trong lưới mất trật tự, chúng tôi sử dụng phương pháp MC động. Đây là phương pháp MC có tính đến thời gian. Khi hạt chuyển động trên lưới, chúng tơi tính tốn thời gian hạt nhảy, căn cứ vào thời gian này để xem xét hạt nào sẽ dịch chuyển và có dịch chuyển được hay khơng trong q trình chuyển động trong hệ. Trong
phạm vi luận án, phương pháp MC động được sử dụng khảo sát quá trình khuếch tán và hiệu ứng tương quan F đối với khuếch tán của hệ nhiều hạt trên lưới mất trật tự hai chiều.