Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và động học của các vật liệu sio2 và mgsio3 lỏng l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUYỆN THỊ SAN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUYỆN THỊ SAN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. VŨ VĂN HÙNG HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Thay mặt tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Văn Hồng Luyện Thị San LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.

Nguyễn Văn Hồng và GS. Vũ Văn Hùng, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật và phòng đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án.

Hà Nội, ngày 2 tháng 11 năm 2017 Luyện Thị San MỤC LỤC Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu. 1 Danh mục các bảng biểu. 2 Danh mục các hình vẽ và đồ thị. TỔNG QUAN VỀ HAI VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 1.

Tổng quan vật liệu SiO2. Hiện tượng đa thù hình. Các hiện tượng động học. Tổng quan vật liệu MgSiO3.

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử. Xây dựng mô hình động lực học phân tử. Mô hình động lực học phân tử.

Phân tích cấu trúc. Hàm phân bố xuyên tâm. Số phối trí và đơn vị phối trí. Kỹ thuật trực quan hóa.

Phân tích động học. CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA SiO2 LỎNG 3. Hiện tượng đa thù hình. Hiện tượng động học.

Động học không đồng nhất. CẤU TRÚC CỦA MgSiO3 LỎNG 4. Cấu trúc địa phương của Si và Mg. Hiện tượng tách pha vi mô.

90 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 93 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử PBXT Phân bố xuyên tâm VĐH Vô định hình ĐVPT Đơn vị phối trí BO Nguyên tử ôxy cầu NBO Nguyên tử ôxy không cầu BKS Van Beets – Kramer – Van Santen OG Oganov NPT Số hạt, áp suất và nhiệt độ không đổi NVE Số hạt, thể tích và năng lượng không đổi Si Nguyên tử silíc O Nguyên tử ôxy NRM Cộng hưởng từ hạt nhân 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Các thông số thế BKS đối với hệ SiO2 31 Bảng 2.2 Các thông số thế OG đối với hệ MgSiO3 33 Bảng 3.1 Đặc trưng cấu trúc của SiO2 lỏng ở nhiệt độ và áp suất khác 44 nhau: rlk là vị trí của đỉnh thứ nhất hàm PBXT thành phần, TN: Thực nghiệm, MP: mô phỏng Bảng 3.2 Sự phân bố OSi3 và mối liên kết giữa các ĐVPT SiOx liền 47 kề thông qua các cạnh dùng chung (Ne) và các mặt dùng chung (Nf) trong SiO2 lỏng Bảng 3.3 Tốc độ chuyển đổi giữa các ĐVPT ở nhiệt độ khác nhau.1 Đặc trưng cấu trúc của MgSiO3 lỏng ở áp suất khác nhau: 73 rlkj là vị trí của đỉnh thứ nhất hàm PBXT thành phần.2 Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO4 ở các áp suất 84 khác nhau.3 Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO5 ở các áp suất 84 khác nhau.4 Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO6 ở các áp suất 84 khác nhau. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 2.1 Minh họa điều kiện biên tuần hoàn.2 Hàm PBXT cho hệ 1 thành phần.3 Hàm PBXT cặp cho hệ hai thành phần.4 Hàm PBXT cặp Si-O trong hệ MgSiO3 lỏng ở T = 3500 K, P = 37 30 GPa.5 Số lượng chuyển đổi phụ thuộc vào thời gian.6 Minh họa đám hình thành giữa nguyên tử Si và O.

Khối cầu màu 42 đen là Si, màu vàng là O.1 Năm ĐVPT cấu thành mạng SiO2 lỏng: SiO4 (a); SiO5 (b); SiO6 45 (c); OSi2 (d); OSi3 (d). Khối cầu nhỏ là O và khối cầu lớn là Si.2 Sự phân bố tỉ phần ĐVPT SiOx và OSiy ở áp suất khác nhau.3 Phân bố góc Si-O-Si và khoảng cách liên kết O-Si trong các 46 ĐVPT OSi2 và OSi3.4 Liên kết giữa các ĐVPT SiOx và đám được hình thành bởi SiOx 48 (khối cầu lớn là Si và nhỏ là O): Liên kết giữa các ĐVPT SiOx thông qua một BO (a); Liên kết giữa các ĐVPT SiOx thông qua 2 BO (b); OSi3 (c); Đám của SiO4 hình thành pha mật độ thấp (d); Đám của SiO5 và SiO6 hình thành pha mật độ cao (e).5 Sự phân bố các ĐVPT SiOx và OSiy trong SiO2 lỏng (T = 3200 49 K) ở áp suất 5, 15 và 25 GPa. Khối cầu lớn là Si, khối cầu nhỏ là O.6 Sự phụ thuộc của mật độ vào áp suất trong SiO2 lỏng.7 Độ dịch chuyển bình phương trung bình của các nguyên tử trung 52 tâm với giá trị k khác nhau.8 Sự phụ thuộc của χ vào thời gian mô phỏng.9 Độ dịch chuyển bình phương trung bình/1 nguyên tử cho nhóm 54 nguyên tử thứ nhất và thứ hai.10 Số lượng đám tạo bởi các nguyên tử thuộc nhóm nguyên tử A1, 55 A2 và A3 tại các thời điểm mô phỏng khác nhau.11 Kích thước đám lớn nhất tại các thời điểm mô phỏng khác nhau, 56 P = 0 GPa.12 Độ dịch chuyển bình phương trung bình và số lượng đám tạo bởi 57 nguyên tử nhóm A2 và A3; A2 và A3 được lựa chọn ở thời điểm td = 47.8 ps và áp suất P = 0 GPa.13 Số lượng đám tạo bởi các nguyên tử thuộc nhóm nguyên tử A1, 59 A4 và A5 tại các thời điểm mô phỏng khác nhau.14 Số lượng chuyển đổi trung bình cho 1 nguyên tử và độ dịch 60 chuyển bình phương trung bình của các nguyên tử nhóm A1, A4 và A5 ở P = 0 GPa.15 Số chuyển đổi trung bình và số phối trí trung bình ZD tại các thời 61 điểm mô phỏng khác nhau; P = 0 GPa, T = 3000 K.16 Minh họa chuyển động của các nguyên tử. Khối cầu màu đen 63 ứng với các đám cứng.

Khối cầu đỏ và xanh ứng với các nguyên tử linh động. Khối cầu màu đỏ ứng với các nguyên tử thuộc các siêu phân tử.17 a) Chuyển đổi có ích; b) Chuyển đổi không có.18 Sự phụ thuộc áp suất của hệ số khuếch tán (a) và tốc độ chuyển 65 đổi (b), T = 3000 K.19 Sự phụ thuộc của η = Mbt/Mbo vào số lượng chuyển đổi, T = 66 3000 K.20 Minh họa quá trình dịch chuyển của các nguyên tử: A) Một 68 nguyên tử dịch chuyển qua khoảng không giữa hai nguyên tử để tới một vị trí mới; B) Sự dịch chuyển của một nhóm nguyên tử.21 Hệ số khuếch tán của Si và O cho các hệ nhiệt độ và áp suất khác 68 nhau.22 Sự phụ thuộc của η vào số lượng chuyển đổi trung bình ở nhiệt 69 độ 2600 K và 3000 K.1 Hàm PBXT gSi-O(r), gMg-O(r), gSi-Mg(r), gSi-Si(r), gO-O(r) và gMg- 74 Mg(r) của MgSiO3 ở T = 3000 K và các áp suất khác nhau.2 Cấu trúc mạng của MgSiO3 lỏng ở áp suất 0 GPa (Khối cầu màu 75 đỏ là nguyên tử Mg, khối cầu màu đen là nguyên tử Si và khối cầu màu vàng là O).3 Sự phân bố của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong MgSiO3 lỏng 76 khi áp suất thay đổi.4 Phân bố góc O-Si-O của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong 77 MgSiO3 lỏng ở áp suất khác nhau.5 Phân bố khoảng cách liên kết Si-O trong MgSiO3 lỏng ở các áp 77 suất khác nhau.6 Phân bố tỉ phần các ĐVPT MgOx (trái) và số phối trí trung bình 78 của Mg (phải) khi áp suất thay đổi.7 Phân bố các cầu nối OTy (y = 2÷6; T là Si hoặc Mg) khi áp suất 79 thay đổi.8 Phân bố tỉ phần nguyên tử O hình thành các cầu nối trong 80 MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi.9 Mạng Si-O trong MgSiO3 bị vỡ thành các mạng con, 81 (Khối cầu màu đen là Si, khối cầu màu vàng là O).10 Cầu nối được hình thành do nguyên tử Mg gắn vào mạng Si-O 82 thông qua các BO và NBO.11 Sự phân bố của BO, NBO và ôxy tự do trong MgSiO3 lỏng khi 83 áp suất thay đổi.12 Sự phân bố của O-Six, O-Mgy và Sin-O-Mgm (x, y, n, m = 1 ÷ 6) 83 trong MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi.13 Sự phân bố không gian của các cầu nối O-Six trong MgSiO3 lỏng 86 ở áp suất 0 và 30 GPa. Khối cầu màu đen là Si, màu vàng là O.14 Sự phân bố không gian của các O-Mgy trong MgSiO3 lỏng ở áp 86 suất 0 và 30 GPa. Khối cầu màu vàng là O và màu đỏ là Mg.15 Cấu trúc mạng của MgSiO3 lỏng ở 0 GPa và 30 GPa.

Đám/chuỗi 87 SiOx ứng với màu đen; Đám/chuỗi MgOy ứng với màu đỏ (Các ĐVPT SiOx ứng với khối cầu màu đen và MgOy ứng với các khối cầu màu đỏ). Lý do chọn đề tài Hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu phổ biến trong vỏ trái đất, có nhiều ứng dụng công nghệ cao, đồng thời đóng vai trò quan trọng với ngành khoa học trái đất. Chính vì vậy những nghiên cứu về cấu trúc và động học của những vật liệu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về các quá trình xảy ra trong lòng trái đất mà còn giúp chế tạo những vật liệu có tính chất ưu việt. Ở trạng thái lỏng, những vấn đề nghiên cứu liên quan tới cấu trúc, động học, mối liên hệ giữa cấu trúc và động học của hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 luôn là chủ đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.

Cho đến nay, có rất nhiều các mô hình lý thuyết, các công trình nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được tiến hành nhằm giải thích các hiện tượng thú vị như đa thù hình, tách pha vi mô, động học không đồng nhất, thuyên giảm động học, khuếch tán dị thường, v.