Nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc và cơ tính của ô-xít thủy tinh - trên cơ sở hệ SiO2 và Al2O3 bằng mô phỏng động lực học phân tử

Với phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) được sử dụng để xây dựng các mô hình vật liệu SiO₂, Al₂O₃, GeO₂, Al₂O₃.2SiO₂, và hạt nano. Các chương trình phân tích cấu trúc vi mô được sử dụng như: tính hàm phân bố xuyên tâm, tính phân bố góc, phân bố số phối trí, xác định các đơn vị cấu trúc, phân bố quả cầu lỗ hổng (void) và phương pháp lân cận gần nhất (common neighbor analysis - CNA). Phương pháp Monte-Carlo cũng được sử dụng để tính toán thể tích của các quả cầu lỗ hổng cũng như thể tích của các pha cấu trúc trong mô hình vật liệu.

Hàm phân bố xuyên tâm thông tin về thống kê phân bố các độ dài liên kết giữa các nguyên tử trong mô hình để xem xét sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm. Phân bố góc cho biết thống kê về góc liên kết giữa các nguyên tử. Phân bố số phối trí cho biết thống kê về các nguyên tử lân cận gần nhất. Phân bố void cho biết sự phân bố của của các quả cầu lỗ hổng và tính xốp của mô hình. Phương pháp CNA xác định các nguyên tử có cấu trúc mạng như thế nào.

Cơ tính của các mẫu vật liệu được xác định thông qua mô phỏng biến dạng mẫu. Bằng mô phỏng biến dạng đơn trục, sự thay đổi của stress vào strain sẽ nhận được trong quá trình biến dạng. Các thông số Young’s modulus, yield stress và flow stress sẽ nhận được từ đường cong stress-strain. Ngoài ra, các sự thay đổi về số phối trí, phân bố và thể tích các quả cầu lỗ hổng, số đơn vị cấu trúc, độ dài liên kết, sự trật tự của các nguyên tử cũng được tính toán trong quá trình biến dạng.

Đề tài “Nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc và cơ tính của ô-xít thủy tinh - trên cơ sở hệ SiO2 và Al2O3 bằng mô phỏng động lực học phân tử” do Cơ quan chủ trì Quỹ Phát triển KH&CN Quốc gia cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Lê Văn Vinh để thực hiện nhằm mục tiêu Xây dựng các mẫu vật liệu (MO)x(SiO2)1-x và (MO)x(Al2O3)1-x thủy tinh bằng mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) với các tốc độ làm nguội khác nhau, áp suất nén khác nhau và nồng độ nguyên tử M khác nhau. Tiến hành phân tích vi cấu trúc của các mẫu vật liệu để làm sáng tỏ sự tiến triển cấu trúc của các hệ vật liệu này. Nghiên cứu ứng xử cơ tính của các hệ vật liệu thủy tinh này thông qua biến dạng các mẫu. Xây dựng mối tương quan giữa cơ tính của hệ và các đặc trưng vi cấu trúc của các hệ vật liệu này.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Các mẫu vật liệu SiO₂ được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT có mật độ từ 2,2 g.cm^-3 đến và 4.2 g.cm^-3. Các mẫu này được nung chảy ở nhiệt độ 5000K rồi làm nguội xuống 300K. Cấu trúc vi mô của các mẫu mô phỏng được phân tích thông qua hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, phân bố góc, phân bố quả cầu lỗ hổng và CNA. Cơ tính của các mẫu mô phỏng được tính toán thông qua quá trình biến dạng đơn trục. Mô đun đàn hồi E được xác định từ đường cong ứng suất - biến dạng. Các tỉ phần của các đơn vị cấu trúc SiOx thay đổi với mật độ mẫu. Chúng tôi tìm thấy liên kết góc xuất hiện trong các liên kết SiO₄-SiO₄, ngược lại cả liên kết góc và liên kết cạnh xuất hiện ở liên kết SiO₅-SiO₅ và 3 loại liên kết góc, cạnh và mặt xuất hiện trong các liên kết SiO6-SiO₆. Sự phân tách đỉnh của hàm PBXT GSi-Si(r) gây ra bởi các nguyên tử Si liên kết với nhau thuông qua liên kết cạnh và mặt. Đỉnh thứ 2 xuất hiện ở hàm phân bố xuyên tâm GO-O(r) ở mật độ cau bắt nguồn từ các nguyên tử O trong liên kết cạnh. Trong các mẫu tồn tại các lỗ hổng được bao quanh bởi 4 nguyên tử O và những lỗ hổng lớn nhất thuộc về loại lỗ hổng O này. Ngoài ra, với mật độ từ 3.96 g.cm^-3 trở lên, các đám O có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) và lục giác xếp chặt (hcp) được tìm thấy trong các mẫu. Mẫu SiO₂ ở mật độ thấp có tính giòn và ở mật độ cao có tính dẻo.

Các mẫu GeO₂ được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT. Mẫu được nung nóng tại nhiệt độ 5000 K rồi làm lạnh xuống 300 K dưới áp suất nén từ 0 đến 90 GPa. Sự phân tách đỉnh thứ nhất của hàm PBXT cặp Ge-Ge là do các tỉ phần đơn vị cấu trúc GeO_x (x=4, 5 và 6) thay đổi và sự hình thành các liên kết O chung như liên kết góc, liên kết cạnh và liên kết mặt. Sự xuất hiện đỉnh mới thứ hai ở hàm PBXT cặp O-O là do sự xuất hiện và tăng tỉ phần của đơn vị cấu trúc liên kết OGe₃. Các phân bố quả cầu lỗ hổng có bán kính lớn chủ yếu ở trong các đơn vị cấu trúc GeO₄. Dưới áp suất nén mẫu GeO₂, bán kính của các quả cầu lỗ hổng trong đơn vị GeO₄ giảm mạnh hơn so với bán kính các quả cầu lỗ hổng trong các đơn vị cấu trúc GeO₅, và bán kính của chúng trong các đơn vị cấu trúc GeO₆ giảm nhẹ nhất. Bán kính của các quả cầu lỗ hổng được bao quanh bởi bốn nguyên tử O hầu như không thay đổi dưới áp suất nén. Thể tích của các quả cầu lỗ hổng giảm nhanh chóng do đơn vị cấu trúc GeO₄ giảm nhanh chóng trong khoảng áp suất nén từ 0 đến 20 GPa. Mô-đun đàn hồi, ứng suất đàn hồi và ứng suất dẻo tăng khi áp suất nén mẫu tăng, và có sự tương quang giữa các đại lượng này với sự thay đổi của thể tích quả cầu lỗ hổng và tỉ phần các đơn vị cấu trúc GeO_x.

Mẫu Al₂O₃ được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT. Mẫu được nung nóng chảy tại nhiệt độ 5000K rồi làm lạnh xuống 300 K dưới áp suất nén P=45 GPa. Chúng tôi đã quan sát thấy hiện tượng chuyển pha của mẫu trong khoảng nhiệt độ từ 2530K xuống tới 2280K. Các đơn vị cấu trúc AlO₄ và AlO₅ chuyển sang đơn vị cấu trúc AlO₆ khi nhiệt độ dưới 2280K. Các nguyên tử O tạo thành các đám tinh thể fcc và hcp trong quá trình làm nguội. Việc tạo thành các đám tính thể này tuân theo quy tắc Ostwald. Đầu tiên, g- và k- Al₂O₃ được hình thành ở nhiệt độ cao. Tiếp theo, g-Al₂O₃ chuyển thành δ-Al₂O₃ và k- Al₂O₃ chuyển thành α-Al₂O₃ khi nhiệt độ giảm xuống 300K. Cơ tính của mẫu Al₂O₃ tại 300K được tiến hành nghiên cứu thông qua biến dạng 1 trục. Suất Young của mẫu là 396 GPa. Các đám tinh thể hcp và fcc duy trì trong quá trình biến dạng chỉ ra quá trình biến dạng của mẫu là không đồng nhất.

Mẫu Al₂O₃.2SiO₂ được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT tại nhiệt độ 3500K và dưới các áp suất nén từ 0 đến 20 GPa. Ảnh hưởng của áp suất nén lên tính chất động học của mẫu được tiến hành nghiên cứu thông qua quá trình chuyển đổi đơn vị cấu trúc. Các mẫu ở mật độ thấp (ứng với áp suất nén nhỏ) thể hiện động học không đồng nhất. Trong các mẫu này tồn tại những vùng nguyên tử linh động cao và hầu như không linh động.

Các mẫu hạt nano cũng được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT. Các hạt nano có kích thước khác nhau được nung nóng chảy tại nhiệt độ 2000K rồi làm lạnh xuống 300K với các tốc độ làm nguội khác nhau. Tốc độ làm nguội lớn tạo ra các hạt nano có cấu trúc VĐH và cấu trúc 20 mặt (icosahedral-ico). Tốc độ làm nguội giảm sẽ tạo ra các hạt nano có cấu trúc pha trộn VĐH+ico+fcc+hcp hoặc fcc+hcp. Sự chuyển đổi cấu trúc của hạt nano tuân theo quy tắc Ostwald. Mô phỏng từ tính lõi/vỏ được tiến hành trên các cấu hình của các hạt nano này. Mô hình pha trộn lõi/vỏ spin (1, 3/2) được áp dụng. Chúng tôi tìm thấy cấu trúc của các hạt nano ảnh hưởng mạnh lên đặc tính giản đồ pha. Ảnh hưởng của số nguyên tử và trao đổi cặp Jvỏ/Jlõi lên nhiệt độ và tính chất từ của mô hình là rất đáng kể.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16475/2019) tại Cục Thông tin KH&CN Quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)