Mô phỏng cấu trúc hạt nano ni dưới quá trình nguội nhanh bằng mô phỏng động lực học phân tử

Mẫu hạt nano có cấu trúc tinh thể, các nguyên tử tinh thể fcc và hcp liên kết tạo thành đám tinh thể. Các nguyên tử thuộc cấu trúc tinh thể có thể được chia ra làm tinh thể lõi và vỏ. Các nguyên tử fcc và hcp lõi có thế năng thấp nhất rồi đến các nguyên tử fcc và hcp vỏ, và các nguyên tử vô định hình có thế năng lớn nhất. Lớp ngoài cùng của các mẫu hạt nano Ni hầu hết là các nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ và vô định hình. Dựa trên động lực học, kết quả mô phỏng trong công trình này đã chỉ ra một số tính chất cấu trúc của nano Ni trong quá trình làm nguội nhanh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng cấu trúc hạt nano ni dưới quá trình nguội nhanh bằng mô phỏng động lực học phân tửNghiên cứu khoa học công nghệ M¤ pháng cÊu tróc h¹t nano ni díi qu¸ tr×nh nguéi nhanh b»ng m« pháng ®éng lùc häc ph©n tö Lª v¨n long*, Lª v¨n vinh**, Hå quang quý*** Tóm tắt: Các hạt nano Ni chứa từ 256 đến 4000 nguyên tử được mô phỏng bằng phương pháp động lực học phân tử với thế nhúng Sutton-Chen. Các mẫu hạt nano Ni có cấu trúc tinh thể lí tưởng được nung nóng đến 2000 K rồi làm lạnh xuống tới 300 K với các tốc độ làm lạnh 21014 K/s, 41013 K/s và 41012 K/s. Với tốc độ làm lạnh nhanh 21014 K/s và hạt nano Ni có kích thước nhỏ, cấu trúc hạt nano là vô định hình tại nhiệt độ 300 K. Với tốc độ chậm hơn, các mẫu hạt nano Ni có cấu trúc trộn lẫn giữa tinh thể fcc, hcp và vô định hình. Mẫu hạt nano có cấu trúc tinh thể, các nguyên tử tinh thể fcc và hcp liên kết tạo thành đám tinh thể. Các nguyên tử thuộc cấu trúc tinh thể có thể được chia ra làm tinh thể lõi và vỏ. Các nguyên tử fcc và hcp lõi có thế năng thấp nhất rồi đến các nguyên tử fcc và hcp vỏ, và các nguyên tử vô định hình có thế năng lớn nhất. Lớp ngoài cùng của các mẫu hạt nano Ni hầu hết là các nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ và vô định hình. Dựa trên động lực học, kết quả mô phỏng trong công trình này đã chỉ ra một số tính chất cấu trúc của nano Ni trong quá trình làm nguội nhanh.Từ khóa: Mô phỏng, Hạt nano Ni, Tinh thể hóa 1. giíi thiÖu Vật liệu kim loại nano được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hóa xúc tác,điện tử và điện từ [1-4]. Trong các kim loại từ chuyển tiếp, hạt nano Ni có tiềmnăng to lớn trong các ứng dụng quan trọng như là lĩnh vực điện tử, quang học, hóasinh và y sinh [5, 6]. Hình thái cấu trúc và kích thước của hạt nano kim loại là rấtquan trọng bởi nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất của hạt nano [7]. Các hạt nano Niđược chế tạo bằng nhiều phương pháp thực nghiệm như phương pháp khử hóa học[7], vi sóng plasma hóa học [8] và phân tách nhiệt [9, 10]. Ngoài phương pháp thựcnghiệm, phương pháp mô phỏng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hạt nano Ni[11-17]. Y. Qi và cộng sự [11] sử dụng mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT)và thế tương tác nhúng lượng tử Sutton-Chen (SC) để nghiên cứu nhiệt độ nóngchẩy và tinh thể hóa hạt nano Ni. Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước hạt nanoảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha và sự tinh thể hóa. Dưới sự nguội nhanh, cáctác giả quan sát thấy quá trình tinh thể hóa tạo thành các tinh thể lập phương tâmmặt (face centered cubic-fcc), nhưng hạt nano Ni có kích dưới 500 nguyên tử lạitạo thành cấu trúc hai mươi mặt (icosahedral) bền vững. E. C. Neyts và cộng sự[12] sử dụng mô phỏng Monte-Carlo kết hợp ĐLHPT với thế tương tác Morse đểmô phỏng quá trình nóng chẩy của hạt nano Ni có kích thước từ 1 đến 2 nm. Kếtquả chỉ ra có sự thay đổi từ động học chung sang quá trình nóng chẩy bề mặt khităng kích thước hạt nano. Một số nghiên cứu khác [13, 14] sử dụng mô phỏngĐLHPT với thế liên kết chặt (tight-binding) cho thấy sự tinh thể hóa thành tinh thểfcc ở hạt nano Ni. Z. Zhang và cộng sự [15] trong nghiên cứu mô phỏng của mìnhlại tìm thấy cấu trúc hai mươi mặt và tám mặt (octahedral) trong hạt nano Ni. A. V.Yakubovich và cộng sự [16] mô phỏng các đám (cluster) Ni lớn và quan sát thấyTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 10 - 2014 111 Vật lýcó sự chuyển pha từ lỏng sang rắn. H. Akbarzadeh và cộng sự [17] chỉ ra kíchthước của hạt nano Ni tăng làm giảm năng lượng bề mặt. Như vậy, các kết quả môphỏng nghiên cứu sự chuyển pha từ lỏng sang rắn ở hạt nano Ni cho thấy quá trìnhtinh thể hóa thành tinh thể fcc. Ngoài ra, kết quả cũng chỉ ra các hạt nano Ni còn cócác cấu trúc bền vững như là cấu trúc hai mươi mặt hoặc tám mặt. Trong khi đó,thực nghiệm đã chế tạo được các hạt nano Ni có cấu trúc fcc, hcp, và cấu trúc trộnlẫn fcc và hcp [10]. Điều này cho thấy rằng cần có thêm các nghiên cứu mô phỏngtiến trình nguội nhanh tạo thành các cấu trúc hạt nano Ni, câu hỏi đặt ra rằng liệumô phỏng có quan sát thấy cấu trúc hcp của hạt nano Ni? Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng mô phỏng ĐLHPT để nghiên cứu cấutrúc hạt nano Ni trong quá trình nguội nhanh từ pha lỏng sang pha rắn với các tốcđộ nguội khác nhau. Các công cụ phân tích cấu trúc như hàm phân bố xuyên tâm(HPBXT), các nguyên tử lân cận chung (common neighbor analysis-CNA) và hiểnthị trực quan được sử dụng để phân tích cấu trúc hạt nano Ni cũng như là vật liệukhối sử dụng để đối chứng. 2. PH¦¥NG PH¸P TÝNH TO¸N Phương pháp ĐLHPT được sử dụng để mô phỏng các hạt nano Ni. Chúng tôisử dụng thế tương tác nhúng SC [18] để mô tả tương tác giữa các nguyên tử Ni.Các thông số thế tương tác được tối ưu để mô tả độ ch ...