Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử

Chúng tôi sử dụng mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) để nghiên cứu các hiện tượng động học trong hệ SiO2 lỏng. Các hiện tượng động học được phân tích thông qua cơ chế chuyển đổi giữa các ô phối trí SiOx->SiOx+-1 và OSiy->OSiy+-1. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các chuyển đổi chỉ xảy ra thường xuyên với một vài ô phối trí và có mối tương quan với nhau.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tửHNUE JOURNAL OF SCIENCENatural Sciences 2018, Volume 63, Issue 3, pp. 74-79This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vnDOI: 10.18173/2354-1059.2018-0007NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐỘNG HỌC TRONG HỆ SiO2BẰNG MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬLuyện Thị SanViện Vật lí Kĩ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà NộiTóm tắt. Chúng tôi sử dụng mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) để nghiên cứu cáchiện tượng động học trong hệ SiO2 lỏng. Các hiện tượng động học được phân tích thông quacơ chế chuyển đổi giữa các ô phối trí SiOxSiOx1 và OSiyOSiy1. Kết quả nghiên cứu chỉra rằng các chuyển đổi chỉ xảy ra thường xuyên với một vài ô phối trí và có mối tương quanvới nhau. Quá trình phá vỡ và hồi phục của các liên kết xảy ra không đồng nhất trong khônggian. Sự xuất hiện các đám không chuyển đổi là nguyên nhân gây ra hiện tượng thuyên giảmđộng học khi nhiệt độ của hệ tiến gần tới nhiệt độ chuyển pha Tg.Từ khóa: Mô phỏng động lực học phân tử, ô phối trí, hệ SiO2 lỏng, thuyên giảm động học.1. Mở đầuCác chất lỏng có cấu trúc mạng khi được làm lạnh nhanh xuống dưới nhiệt độ nóng chảy sẽhình thành trạng thái thái vô định hình ở nhiệt độ Tg gọi là nhiệt độ chuyển pha. Càng gần tới nhiệtđộ chuyển pha, động học của các chất lỏng này bị thuyên giảm đột ngột trong khi phạm vi nhiệtđộ rất nhỏ [1-3] trong khi cấu trúc của vật liệu chỉ có những thay đổi rất nhỏ. Cơ chế gây ra hiệntượng thuyên giảm động học vẫn chưa được làm rõ. Quan sát chuyển động của các hạt keo chỉ rarằng càng gần tới nhiệt độ chuyển pha, chuyển động của các hạt dường như có mối tương quanvới nhau và các hạt keo linh động không di chuyển theo cùng hướng. Tồn tại các vùng tự sắp xếpgồm các hạt keo linh động [4]. Các nghiên cứu mô phỏng gần đây cho các hệ Lennard –Jones đãtìm thấy các bằng chứng cho hiện tượng không đồng nhất động học [5, 6]. Sử dụng trực quan hóa,các công trình [7, 8] đã quan sát thấy tập hợp các nguyên tử linh động và không linh động nhất vàchúng có xu hướng kết cụm trong không gian.Trong các công trình nghiên cứu trước [9, 10], chúng tôi đã nghiên cứu cơ chế khuếch táncủa hệ SiO2 lỏng thông qua các chuyển đổi SiOxSiOx1 và OSiy OSiy1. Kết quả nghiên cứuchỉ ra cả tốc độ chuyển đổi và sự phân bố trong không gian của các chuyển đổi đều ảnh hưởng tớihệ số khuếch tán của hệ. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ thực hiện các mô phỏng số nhằm làm rõmối liên hệ giữa các chuyển đổi và các hiện tượng động học đặc biệt như động học không đồngnhất và thuyên giảm động học.Ngày nhận bài: 21/2/2017. Ngày sửa bài: 12/4/2017. Ngày nhận đăng: 20/4/2017.Tác giả liên hệ: Luyện Thị San, e-mail: san.luyenthi@hust.edu.vn.74Nghiên cứu hiện tượng động học trong hệ SiO2 bằng mô phỏng động lực học phân tử2. Nội dung nghiên cứu2.1. Phương pháp nghiên cứuChúng tôi sử dụng thế tương tác Van Beest-Kramer-Van Santen (BKS) để xây dựng các mẫuSiO2 ở các nhiệt độ khác nhau. Loại thế này tuy đơn giản nhưng thực tế cho thấy nó mô phỏngđược nhiều tính chất của các hệ SiO2 vô định hình và lỏng. Hàm thế có dạng(1)qi q j e26 U rij rij Aij exp  Bij rij  Cij rijU(rij) là thế năng tương tác giữa hai nguyên tử thứ i và j Thế này bao gồm thành phần thếtương tác Cu-lông và phần thế liên quan tới tương tác cộng hóa trị trong phạm vi gần. Đại lượngrij là khoảng cách giữa hai nguyên tử thứ i và j. Các hệ số Aij, Bij, Cij được sử dụng cho mô phỏnghệ SiO2 được liệt kê trong Bảng 1.Mô phỏng ĐLHPT được tiến hành cho hệ SiO2 gồm 666 nguyên tử Si và 1332 nguyên tử O trongđó có sử dụng điều kiện biên tuần hoàn. Thời gian của một bước mô phỏng trong nghiên cứu nàylà 0,47 fs.Bảng 1. Các hệ số của hàm thế BKS đối với hệ SiO2 [11]Cặp nguyên tửAij (eV)Bij (Å-1 )Cij(eV Å6)Điện tích (e)O-O1388.7732.760175.000qO = − 1.2Si-O18003.7574.87333.538qSi = + 2.4Si-Si0.00.00.0Hai mẫu SiO2 ở các nhiệt độ khác nhau được xây dựng theo trình tự như sau: Cấu hình banđầu được tạo ra bằng cách gieo ngẫu nhiên tất cả các hạt trong một khối lập phương. Cấu hìnhngẫu nhiên ban đầu này được nung nóng tới nhiệt độ 6000 K để hình thành một trạng thái ngẫunhiên hoàn toàn mới của hệ và giữ trong khoảng 50000 bước mô phỏng. Tiếp theo, cấu hình đượclàm lạnh xuống tới các nhiệt độ 5500 K, 5000 K, 4500 K, 4000 K và cuối cùng là 3500 K. Ở nhiệtđộ 3500 K, mẫu SiO2 được hồi phục trong 106 bước mô phỏng với áp suất không của mẫu đượcgiữ không đổi. Từ mẫu SiO2 ở áp suất không và nhiệt độ T = 3500 K tiếp tục giảm nhiệt độ của hệtới 2600 K bằng cách sử dụng mô hình NPT (số hạt N, áp suất P và nhiệt độ T được giữ khôngđổi). Cuối cùng, hai mẫu thu được sẽ được hồi phục ở thể tích và năng lượng không đổi bằng cáchsử dụng mô hình NVE (số hạt N, thể tích V và năng lượng toàn phần E được giữ không đổi) trongkhoảng 107 bước mô phỏng. Sau khi các mẫu vật liệu đạt trạng thái cân bằng, tiến hành xác địnhcác tính chất cấu trúc. động học và tính đa thù hình của hệ. Để tăng độ chính xác cho các kết quảthu được, tất cả các đặc trưng về số phối trí, góc, hàm phân bố xuyên tâm được lấy trung bình từ1000 cấu hình cuối cùng của mẫu vật liệu và cứ sau 10 bước mô phỏng lại thực hiện một phép đo.Ô phối trí là một tập hợp nguyên tử trong đó bao gồm nguyên tử trung tâm và các nguyên tửlân cận. Các nguyên tử lân cận sẽ hình thành các liên kết với nguyên tử trung tâm. Liên kết giữanguyên tử Si và O được hình thành nếu khoảng cách giữa hai nguyên tử nhỏ hơn bán kínhngắt (rc = 2,38 Å) tương ứng với vị trí tiểu thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm đối với cặp Si-O.Có hai loại ô phối trí được sử dụng trong nghiên cứu này là SiOx và OSiy trong đó x và y tươngứng là số nguyên tử O và Si. Một chuyển đổi xảy ra khi một liên kết bị phá vỡ hoặc một liên kếtmới được tạo thành. Các chuyển đổi giữa các ô phối trí thường xảy ra là SiOx  SiOx1 và OSiy OSiy1 và rất ít các dạng chuyển đổi khác. Hai dạng chuyển ...