Đề tài: “Mô phỏng cơ chế tinh thể hóa và sự tạo thành thủy tinh trong vật liệu vô định hình” do PGS.TS. Phạm Hữu Kiên cùng các cộng sự tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên thực hiện, nhằm vào hai mục tiêu sau: Xây dựng các mẫu vật liệu bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT). Các mẫu được ủ nhiệt để quan sát quá trình tinh thể hóa, tiến hành khảo sát các đặc trưng cấu trúc của các pha trung gian để làm sáng tỏ cơ chế tạo pha thủy tinh trong vật liệu vô định hình (VĐH); Khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt đến quá trình tinh thể hóa hạt nano. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nguyên tử á kim đến quá trình tinh thể của các hợp kim VĐH.

Sau thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến năm 2018, đề tài đã thu được các kết quả sau:

- Nghiên cứu sự biến đổi cấu trúc kim loại niken và nhôm theo nhiệt độ bằng phương pháp động lực học phân tử với thế tương tác cặp Pak-Doyama và thế nhúng (EAM) cho thấy, ba trạng thái khác nhau của niken và nhôm có thể được xác định bởi tham số Wendt-Abraham và sự phụ thuộc năng lượng của hệ vào nhiệt độ. Mô phỏng chỉ ra rằng, quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái vô định hình của niken và nhôm kéo theo sự tách thành hai đỉnh nhỏ ở đỉnh thứ hai của hàm phân bố xuyên tâm có nguyên nhân từ sự biến đổi các đơn vị cấu trúc dạng tứ diện chuẩn sang dạng tứ diện méo. Ở trạng thái lỏng, chúng tôi phát hiện nickel và nhôm chứa một lượng đáng kể các mầm tinh thể, những mầm tinh thể này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tinh thể hóa đối với các hệ kim loại. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy hệ số khuếch tán nguyên tử nickel trong khoảng nhiệt độ 990 K đến 1400 K phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm. Dưới nhiệt độ 990 K, ở trạng thái vô định hình nhiệt độ cao, cơ chế khuếch tán nguyên tử trong kim loại giống cơ chế khuếch tán trạng thái lỏng. Trong khi đó, ở trạng thái vô định hình nhiệt độ thấp, cơ chế khuếch tán nguyên tử tương tự cơ chế khuếch tán trong tinh thể [Phase transitions 90 (2017), 732-741; Int. J. Microstructure and Materials Properties 11 (2016), 465-476; Tạp chí Khoa học và Công nghệ ĐHTN 159 (2016), 59-64].

- Nghiên cứu các mẫu hạt nano kim loại Fe, Fe-B chứa 5000, 10000 nguyên tử với thế tương tác cặp PakDoyama bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử cho thấy, hạt nano Fe, Fe-B khi được ủ nhiệt ở nhiệt độ khoảng 850 K đến 1000 K và thời gian đủ dài (cỡ 108 bước) thì các hạt nano này bị tinh thể hóa. Cơ chế tinh thể hóa trải qua ba giai đoạn như sau: trong giai đoạn thứ nhất, mầm tinh thể liên tục được hình thành ngẫu nhiên và nhanh chóng biến mất sau thời gian ngắn; trong giai đoạn thứ hai, quá trình hồi phục dẫn đến tạo thành các vùng tinh thể có thời gian sống và tốc độ tinh thể hóa lớn hơn so với các vùng khác. Các vùng tinh thể lớn lên rất nhanh và chúng dễ dàng kết hợp lại để tạo thành đám tinh thể có kích thước lớn; trong giai đoạn thứ ba, sự phát triển của đám tinh thể diễn ra chậm và quá trình tinh thể hoàn thành. Mô phỏng cho thấy trong quá trình tinh thể, nguyên tử B có xu hướng dịch chuyển ra bề mặt và tạo thành vùng vô định hình giàu nguyên tử B. Hạt nano tinh thể bao gồm: lõi là tinh thể Fe bcc, lớp vỏ là Fe hoặc Fe-B có cấu trúc vô định hình. Khảo sát ảnh hưởng của nguyên tử B mô phỏng chỉ ra, cơ chế tinh thể hóa hạt nano Fe-B phụ thuộc mạnh vào nồng độ nguyên tử B, nguyên tử B có vai trò cản trở quá trình tinh thể hóa hạt nano [AIP Advances 7 (2017), 045301, 11 pages; IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 865 (2017), 012003, 7 pages].

Các kết quả khoa học được công bố trên 2 tạp chí quốc tế có uy tín: Phase Transitions and AIP Advances; 2 bài trên tạp chí scopus: Int. J. Microstructure and Materials Properties, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. Các mẫu vật liệu và hạt nano nhận được có giá trị thực tiễn, cung cấp các số liệu quan trọng cho các nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15174) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

N.P.D (NASATI)