Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nano đến tính chất dẫn điện của dung dịch

- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .
- Nhiệm vụ nghiên cứu .
- Phương pháp nghiên cứu.
- Cấu trúc của luận văn CHƯƠNG I.
- TỔNG QUAN Vật liệu vô định hình .
- Mô phỏng vật liệu VĐH Sắt .
- Thế tương tác nguyên tử .
- Vật liệu nano .
- Phương pháp động lực học phân tử Phương pháp mô phỏng nhiệt độ nóng chảy CHƯƠNG II.
- PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG .
- Phương pháp thống kê hồi phục .
- Phương pháp động lực học phân tử .
- Cấu trúc phân lớp hạt nano .
- Phân tích vi cấu trúc hạt nano .
- Mật độ nguyên tử .
- 51 Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 2MỞ ĐẦU 1.
- Lý do chọn đề tài Ngày nay vật liệu nano được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật và trong đời sống như trong các loại sơn chống thấm mốc, chất xúc tác, dung môi, dung dịch làm mát động cơ, công nghiệp may mặc, thời trang, mỹ phẩm,...Có được sự ứng dụng rộng rãi như vậy bởi vật liệu nano có các tính chất vật lý kì lạ khác hẳn tính chất của vật liệu khối.
- Hiệu quả của quá trình này không những phụ thuộc vào loại vật liệu được pha, nồng độ pha tạp mà còn phụ thuộc rất lớn vào kích thước của hạt pha tạp.
- Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nano đến tính dẫn nhiệt của dung dịch rất có ý nghĩa cả trong khoa học và trong thực tiễn.
- Các vật liệu nano đã được tạo ra với rất nhiều kích thước, hình dạng bằng rất nhiều các phương pháp thực nghiệm khác nhau như phương pháp hóa học, phương pháp cơ học [12,6-11].
- Tuy nhiên các phương pháp thực nghiệm này bị hạn chế trong việc tạo ra các hạt nano với kích thước mong muốn, đồng đều về kích thước.
- Phương pháp mô phỏng sẽ giúp khắc phục những hạn chế đó.
- Do vậy luận văn tập trung khảo sát và phân tích vi cấu trúc hạt nano, đặc biệt là phân tích bề mặt - một yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến các tính chất của hạt nano.
- Từ đó đưa ra được một cái nhìn chi tiết về hạt nano, về các đặc trưng vi cấu trúc của hạt nano, sự phụ thuộc kích thước cũng như các đặc trưng nhiệt của chúng.
- Kết quả chỉ ra được khoảng nhiệt độ chuyển pha của hạt nano nghiên cứu.
- Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 3Hạt nano kim loại được nghiên cứu trong đề tài này là hạt nano Sắt (Fe) là kim loại phổ biến và có ứng dụng rộng rãi.
- Những năm gần đây, từ tính của hạt nano Fe được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đã thu được nhiều kết quả.
- Điều đó tạo cơ sở cho các nghiên cứu mở rộng về các tính chất khác của hạt nano Fe.
- Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nano đến tính chất dẫn nhiệt của dung dịch.
- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đặc trưng vi cấu trúc và nhiệt độ chuyển pha theo kích thước của hạt nano Sắt.
- Nhiệm vụ nghiên cứu Luận văn thực hiện các nhiệm vụ sau đây.
- Phân tích vi cấu trúc hạt nano Fe theo nhiệt độ và theo kích thước.
- So sánh các kết quả thu được của hạt nano Fe với vật liệu Fe khối.
- Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD), phương pháp thống kê hồi phục (TKHP) và phương pháp phân tích vi cấu trúc.
- Phân tích vi cấu trúc hạt nano Fe.
- Khảo sát các đặc trưng cấu trúc của lớp lõi và lớp bề mặt.
- So sánh chúng với nhau và với vật liệu khối.
- So sánh với vật liệu khối.
- Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 46.
- Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm 66 trang với bố cục được chia làm 3 phần: mở đầu, nội dung và kết luận.
- Trong đó, chương một trình bày tổng quan về vật liệu nano kim loại trên cơ sở hai nguyên tố Fe, được nghiên cứu dựa trên phương pháp mô phỏng MD tương ứng với thế tương tác được sử dụng.
- Các phương pháp mô phỏng MD, mô phỏng TKHP và phương pháp phân tích vi cấu trúc vật liệu nano được trình bày chi tiết trong chương hai.
- Chương ba trình bày các kết quả thu được về đặc trưng vi cấu trúc và đặc trưng nhiệt của hạt nano Fe.
- Từ đó đưa ra sự so sánh với các kết quả ứng với vật liệu khối.
- Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 5CHƯƠNG I TỔNG QUAN Hiện nay mô phỏng các quá trình vật lý đã trở thành một công cụ nghiên cứu quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu .
- Tương tự như các quá trình thực nghiệm, mô phỏng vật liệu vi mô thực hiện "chế tạo" mẫu vật liệu mô hình sau đó xác định (đo đạc) các tính chất vật lý trên chúng.
- Trong quan hệ với các phương pháp nghiên cứu khác, mô phỏng hay thực nghiệm mô hình được thừa nhận như là một nhánh thứ ba của khoa học vật liệu và đóng vai trò liên kết chặt chẽ giữa hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm.
- Mô phỏng vật liệu có thể được chia làm hai loại: mô phỏng vĩ mô (các mô hình liên tục) và mô phỏng vi mô (các mô hình nguyên tử) [5,18].
- Một trong những phương pháp mô phỏng vi mô được ứng dụng phổ biến hiện nay là phương pháp ĐLPT.
- Cùng với đó, nhiều năm qua vật liệu nano vô định hình (VĐH) đã là đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học lý thuyết cũng như thực nghiệm do các tính chất vật lý đặc biệt cũng như khả năng ứng dụng to lớn của chúng trong đời sống.
- Vì vậy, nội dung chương 1 sẽ đề cập những vấn đề cơ bản về nano kim loại VĐH trên cơ sở nguyên tố Fe, mô phỏng vật liệu nano VĐH Fe với thế tương tác nhúng nguyên tử (EAM.
- 1.1.Vật liệu vô định hình Một cách tổng quát, vật liệu VĐH có thể hiểu một cách đơn giản rằng chúng có cấu trúc phi tinh thể theo một mức độ đặc trưng nào đó.
- Khi nói đến trật tự gần, người ta thường đề cập đến các đại lượng như số phối trí trung bình (SPTTB) z, khoảng cách trung bình r giữa các nguyên tử lân cận.
- Khác với tinh thể, trong vật liệu VĐH số phối vị của các nguyên tử Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 6khác nhau nói chung là khác nhau và khoảng cách giữa chúng với các nguyên tử lân cận cũng rất khác nhau.
- Theo mô hình quả cầu rắn xếp chặt của Berna và Scot thì trạng thái vô định hình là trạng thái của vật liệu gồm những nguyên tử được sắp xếp một cách bất trật tự sao cho một nguyên tử có các nguyên tử bao bọc một cách ngẫu nhiên nhưng xếp chặt xung quanh nó.
- Khi xét một nguyên tử làm gốc thì bên cạnh nó với khoảng cách d dọc theo một phương bất kỳ (d là bán kính nguyên tử) có thể tồn tại một nguyên tử khác nằm sát với nó, nhưng ở khoảng cách 2d, 3d, 4d.
- thì khả năng tồn tại của nguyên tử loại đó giảm dần.
- Cấu trúc vô định hình được hình thành từ năm loại mạng chính (hình 1.1), tỉ lệ nguyên tử là 65% thể tích, còn lại là 35% khoảng trống.
- Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 7 Trong thực tế, VĐH Fe có thể được sử dụng như một hệ mất trật tự đơn giản để nghiên cứu các cơ chế như khuếch tán hay khảo sát các đặc trưng vi cấu trúc giống như các hợp kim VĐH [22].
- Cũng giống như khi đi khảo sát vi cấu trúc của các hệ hợp kim và kim loại VĐH ta thường dùng cách phổ biến để xác định đặc trưng cho trật tự gần là dùng hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) g(r)- một đại lượng tuân theo quy tắc thống kê .
- )ij iVgNδ≠=−∑rrr (1.1) Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 8trong đó V là thể tích của mẫu vật liệu và N chính là số nguyên tử chứa trong thể tích V đó.
- Hàm g(r) có thể hiểu là tỷ lệ thuận với xác suất tìm thấy nguyên tử cách nguyên tử trung tâm một véc tơ r.
- )4(, )4NNN iiiiVgrdddPnrrrrNVnr rrrNππ≈∆=∆=∆∆∑∫∑2rr r r (1.6) Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 9Phương trình (1.6) có thể viết lại một cách đơn giản như sau: 0()()rgrρρ= (1.7) với ρ0 chính là mật độ nguyên tử trung bình trong thể tích V của mẫu vật liệu và ρ(r) là mật độ nguyên tử ở khoảng cách r tính từ nguyên tử trung tâm.
- 2)inπθλk (1.9) Cường độ tán xạ có thể được tách thành hai phần: thừa số dạng nguyên tử f(K) và thừa số cấu trúc S(K) như sau: I(θ)=f(K).N.S(K) (1.10) Thừa số hình dạng đặc trưng cho loại nguyên tử và phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh thiết bị đo.
- Thừa số cấu trúc được xác định bởi phương trình (1.11) và chứa tất cả các thông tin về vị trí của các nguyên tử.
- )]Nlm∑kkrr (1.11) Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 10Liên hệ giữa thừa số cấu trúc với HPBXT, chúng ta dùng định nghĩa chuẩn về hàm phân bố xuyên tâm (1.1) và biểu diễn chuyển đổi Fourier của hàm Dirac delta như trong phương trình sau: iKx1() 2xdK eδπ.
- g()(2π)V∫k.rkkr r (1.15) Giản ước hàm delta trong phương trình (1.15) chúng ta được: i31Nd e [S()-1]= g()(2π)V∫k.rkk r (1.16) Từ phương trình (1.16) chúng ta thấy HPBXT, đối với hệ đẳng hướng, g(r) chỉ phụ thuộc vào r= |r|, g(r) có thể được xác định từ thực nghiệm thông qua thừa số cấu trúc.
- Khi được nguội nhanh từ pha nóng chảy, Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 11các kim loại này đông đặc nhanh chóng theo một trật tự ngẫu nhiên của nguyên tử có trật tự gần thay vì xắp xếp tuần hoàn của nguyên tử tạo thành cấu trúc tinh thể.
- Các hợp kim VĐH khối thường được sử dụng theo phương pháp này.
- Chế tạo từ pha hơi: Trong phương pháp này, hơi kim loại được ngưng tụ rất nhanh trên đế và tạo thành màng mỏng VĐH (tốc độ nguội đạt tới 1010K/s).
- Một số phương pháp tạo thành thể hơi thường được sử dụng bằng cách nấu chảy vật liệu và bay hơi trong chân không, ngoài ra phương pháp phún xạ catốt và phương pháp hoá học cũng thường được sử dụng.
- Ứng dụng của kim loại và hợp kim VĐH dựa trên cơ sở nguyên tố Sắt Trạng thái nghiên cứu ứng dụng cơ bản về kim loại VĐH là VĐH (amorphous) hay thủy tinh kim loại (glassy metal).
- Vật liệu sắt từ mềm như hợp kim của Ni và Fe (Ni75Fe25), hay Fe và Co (FeCo) thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ, cuộn chặn, cảm biến đo từ trường…[16].
- Ngoài ra, ứng dụng Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 12của kim loại VĐH kết cấu làm vật liệu kỹ thuật, vật liệu xây dựng.
- Những hiểu biết hiện tại cho thấy sự hình thành thể thủy tinh có ở những hợp kim có hiệu ứng nhiệt pha trộn kim loại là âm và đường kính nguyên tử của các kim loại thành phần chêch lệch nhau nhiều.
- Khi nghiên cứu về hợp kim VĐH, trạng thái nghiên cứu là các trạng thái đông đặc của những vật liệu này, và nêu các phương pháp thay thế khác nhằm tăng cường tính chất và ứng dụng của vật liệu VĐH kim loại và hợp kim này.
- Hebert [8] đã phác thảo lý thuyết về sự tạo thành thủy tinh kim loại và giới thiệu về hợp kim VĐH nhôm (Al), nhóm vật liệu có tầm quan trọng trong số hợp kim kỹ thuật.
- Bằng quá trình xử lý và hợp kim hóa thích hợp, cấu trúc tổ hợp thủy tinh- nanô tinh thể có thể nhận được độ bền riêng siêu việt.
- Điều này cho phép chúng ta điều khiển cấu trúc, tính chất của vật liệu thông qua tác động lên đặc tính ổn định của cấu trúc.
- Mô phỏng vật liệu VĐH Sắt Sắt (Fe) là một nguyên tố phổ biến và được sử dụng rộng rãi bởi vì: Quặng Fe tồn tại với số lượng dồi dào, trong khai thác kinh tế, các kỹ thuật và chế tạo là sẵn có, các tính chất của hợp kim Fe có thể được thay đổi theo tỉ lệ các chất.
- Do vậy, vật liệu Fe Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 13VĐH đã và đang nhận sự quan tâm đặc biệt của các ngành công nghiệp ứng dụng cũng như nghiên cứu lý thuyết .
- Đặc biệt, cả hai lĩnh vực thực nghiệm và mô phỏng máy tính đều đang tập trung vào cấu trúc lỏng và VĐH của Fe.
- Để nghiên cứu về vật liệu kim loại và hợp kim VĐH Fe, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp nhiễu xạ khác nhau như nhiễu xạ tia X hay nhiễu xạ neutron.
- Các thực nghiệm phân tích này cung cấp cho ta các thông tin liên quan đến cấu trúc của chất lỏng và VĐH Fe như là: Thừa số cấu trúc, hàm phân bố xuyên tâm .
- Tuy nhiên, các thông tin chi tiết, cụ thể hơn về vi cấu trúc, khuyết tật cấu trúc của chất lỏng và VĐH hợp kim và kim loại Fe có thể được cung cấp thông qua mô phỏng máy tính.
- Ngày nay, nội dung nghiên cứu hệ vật liệu VĐH hợp kim và kim loại Fe đang tập trung vào các vấn đề như cấu trúc, các tính chất nhiệt động, cấu trúc địa phương, cũng như các tính chất từ, quang, điện, vv .
- Các nghiên cứu này được tiến hành song song trong cả hai lĩnh vực thực nghiệm và mô phỏng, những nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng tiến hành theo nhiều hướng khác nhau và đã cung cấp nhiều thông tin vật lý có giá trị về vật liệu VĐH.
- Ví dụ như trong lĩnh vực thực nghiệm nghiên cứu tính chất từ, điện, quang của các hợp kim VĐH Fe như (a-FeBN:) và Fe3N [9,7] vv.
- mô phỏng đối với vật liệu Fe VĐH [9].
- Hay các cơ chế khuếch tán trong Fe VĐH vẫn tiếp tục nhận được nhiều sự quan tâm, như khuếch tán ở nhiệt độ cao [19], cơ chế tự khuếch tán [7,1-19], khảo sát vi cấu trúc trong mô hình hợp kim của Fe tập trung vào các khiếm khuyết như chỗ trống, đám chỗ trống, vacancy nhằm giải thích quá trình khuếch tán đang diễn ra trong vật liệu VĐH.
- Tuy nhiên, sự hiểu biết của chúng ta về vi cấu trúc, các tính chất nhiệt động của vật liệu VĐH Fe vẫn còn hạn chế, đặc biệt là những vấn đề liên quan đến quá trình chuyển pha trong chất rắn, hợp kim và kim loại VĐH.
- Vì vậy, các mô phỏng tiến hành tiếp Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo 14theo hứa hẹn sẽ đem lại một câu trả lời hoàn chỉnh và phù hợp cho quá trình nhiệt xảy ra trong các hệ vật liệu VĐH.
- Thế tương tác nguyên tử Khi xây dựng các mô hình vật liệu, một vấn đề có ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy của kết quả thu được là việc chọn thế tương tác thích hợp giữa các nguyên tử.
- Về khía cạnh vật lý, thế tương tác giữa các nguyên tử được xác định bởi tương tác giữa các iôn, giữa các đám mây điện tử và giữa các iôn với đám mây điện tử.
- Năng lượng tương tác giữa các nguyên tử có thể biểu diễn gần đúng bằng công thức sau.
- (1.17) ở đây rij là khoảng cách giữa hai nguyên tử i và j, V - thể tích của hệ.
- Từ (1.17) cho thấy tương tác giữa hai nguyên tử bao gồm hai phần: phần thứ nhất ϕ(rij) gọi là thế tương tác cặp (phần chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai nguyên tử).
- phần thứ hai phụ thuộc vào mật độ của vật liệu.
- Điều này có nghĩa là năng lượng tương tác không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử mà còn phụ thuộc vào góc giữa hai nguyên tử lân cận.
- Nó đặc biệt chính xác cho các nguyên tử khí hiếm và là một xấp xỉ tốt khoảng cách ngắn và dài đối với các nguyên tử và phân tử

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt