Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ nguội lên cấu trúc và nhiệt động học của hạt nano Ni, Al và AlNi

- Vai trò của hạt nano kim loại trong công nghệ và đời sống.
- Ứng dụng của hạt nano kim loại.
- Chế tạo hạt nano kim loại.
- Các hạt nano Ni, Al, NiAl.
- 14 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HẠT NANO.
- Xây dựng mẫu vật liệu khối và hạt nano.
- Mẫu vật liệu hạt nano.
- Hàm phân bố xuyên tâm cho mẫu hạt nano.
- Mô phỏng hạt nano Ni.
- Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ nguội lên cấu trúc của hạt nano Ni.
- Mô phỏng hạt nano Al.
- Mô phỏng hạt nano NiAl.
- 37 Bảng 3.2 Thống kê nguyên tử các lớp thuộc tinh thể fcc, hcp và VĐH của mẫu M5 tại 300 K và tốc độ làm nguội =41012 K/s 39 Bảng 3.3 Năng lượng bề mặt (Es), thế năng trung bình của nguyên tử lõi hạt nano (NlõiU), thế năng trung bình của nguyên tử lớp vỏ hạt nano (voNU) và số nguyên tử lớp vỏ hạt nano (Nvỏ) của các mẫu hạt nano dưới ảnh hưởng của tốc độ nguội.
- 53 Bảng 3.4 Bán kính hạt nano, tỉ lệ nguyên tử tinh thể và VĐH trong hạt nano tại 300 K phụ thuộc vào tốc độ làm nguội.
- Hình chụp mẫu hạt nano M2 31 Hình 3.2.
- Thế năng (Potential energy-PE) của vật liệu khối và hạt nano Ni phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ làm nguội.
- HPBXT của vật liệu khối và hạt nano Ni 34 Hình 3.4.
- Tinh thể fcc và hcp của các hạt nano Ni với tốc độ làm nguội Hình 3.5.
- Hạt nano Ni 4000 nguyên tử tại 900 K với tốc độ làm nguội =21012 K/s 43 Hình 3.7.
- Hạt nano Ni 4000 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội =21012 K/s 44 Hình 3.8.
- Hạt nano Ni 4000 nguyên tử tại 300 K với tốc độ làm nguội =21012 K/s 45 Hình 3.9.
- Hạt nano Ni 4000 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội =41012 K/s 46 Hình 3.10.
- Hạt nano Ni 4000 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội =41013 K/s 47 Hình 3.11.
- Hạt nano Ni 2916 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội =21012 K/s 48 Hình 3.12.
- Hạt nano Ni 1372 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội 49 Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng K/s Hình 3.13.
- Hạt nano Ni 500 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội =21012 K/s 50 Hình 3.14.
- Hạt nano Ni 256 nguyên tử tại 800 K với tốc độ làm nguội =21012 K/s 51 Hình 3.15.
- Thế năng hạt nano Al phụ thuộc vào nhiệt độ với tốc độ làm nguội =21012 K/s.
- Hình chụp mẫu hạt nano S1 56 Hình 3.18.
- Hàm PBXT của hạt nano Al của các mẫu S1, S2 và S3 57 Hình 3.19.
- Hình chụp mẫu hạt nano N2 59 Hình 3.21.
- Thế năng (Potential energy-PE) của hạt nano NiAl 60 Hình 3.22.
- Hàm PBXT của vật liệu khối và các hạt nano NiAl tại nhiệt độ 300K với tốc độ làm nguội 41012 K/s 61 Hình 3.23.
- Hàm PBXT riêng phần của hạt nano NiAl tại 300 K với tốc độ làm nguội 41012 K/s 63 Hình 3.25.
- Các hạt nano NiAl với tốc độ làm nguội =41012 K/s 65 Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng 6 MỞ ĐẦU 1.
- Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ làm lạnh lên cấu trúc và nhiệt động học của các hạt nano Al, Ni và AlNi có nhiều ý nghĩa trong khoa học và thực tiễn.
- 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.
- Trong nhiều nghiên cứu mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT), khi chuyển pha từ trạng thái lỏng sang rắn ở hạt nano Ni, cho ta thấy quá trình tinh thể hóa thành tinh thể fcc.
- Ngoài ra, kết quả cũng chỉ ra các hạt nano Ni còn có các cấu trúc bền vững như hai mươi mặt hoặc tám mặt.
- Trong khi đó, thực nghiệm đã chế tạo được hạt nano Ni có cấu trúc fcc, hcp và cấu trúc trộn lẫn fcc và hcp.
- Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng 7 Những năm gần đây, từ tính của hạt nano Ni, cơ tính của dây nano NiAl, tính chất nhiệt của hạt nano Al.
- Điều đó tạo động lực cho các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc của các hạt nano làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu những tính chất đặc biệt khác của các hạt nano Ni, Al và AlNi.
- Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ nguội lên cấu trúc và nhiệt động học của các hạt nano Ni, Al và AlNi.
- Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nguội lên cấu trúc và nhiệt động học của hạt nano Ni, Al và NiAl.
- Nhiệm vụ nghiên cứu Luận văn thực hiện các nhiệm vụ sau đây  Xây dựng chương trình tạo ra các mẫu hạt nano Ni, Al và AlNi kích thước khác nhau  Phân tích cấu trúc hạt nano Ni, Al và AlNi.
- So sánh cấu trúc hạt nano Ni, Al và AlNi với vật liệu khối tương ứng.
- Xây dựng mô hình hạt nano Ni, Al và AlNi với các kích thước khác nhau bằng phương pháp động lực học phân tử.
- Phân tích vi cấu trúc của các hạt nano Ni, Al, AlNi dưới tốc độ làm nguội khác nhau.
- Tính chất nhiệt động học của hạt nano Ni.
- Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng 8  Xác định năng lượng bề mặt của hạt nano Ni 6.
- Phần nội dung được chia làm 3 chương: chương I nói về tổng quan hạt nano kim loại, các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về hạt nano kim loại.
- chương III, trình bày các kết quả thu về đặc trưng cấu trúc của các hạt nano Ni, Al, AlNi phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh và kích thước.
- Đặc biệt là hạt nano Ni, Al được ứng dụng phổ biến.
- Vì vậy, nội dung chương 1 sẽ đề cập những vấn đề cơ bản về hạt nano kim loại như ứng dụng, các phương pháp chế tạo.
- Đồng thời cũng bàn đến các nghiên cứu phương pháp chế tạo, các tính chất của hạt nano Ni, Al.
- Vì vậy, nghiên cứu chế tạo và tính chất của hạt nano kim loại được quan tâm thực hiện do ý nghĩa khoa học cơ bản lý thú cũng như triển vọng ứng dụng to lớn của chúng.
- Ứng dụng của hạt nano kim loại Vật liệu nano kim loại được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hóa xúc tác, điện tử, điện từ, y sinh [1-4].
- Người ta trộn hạt nano vàng, bạc vào thủy tinh để chúng có các màu sắc khác nhau.
- Gần đây người ta đã phát hiện ra rất nhiều ứng dụng khả dĩ của hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư.
- Hạt nano vàng bọc bởi các nguyên tử Gd (có mô men từ nguyên tử lớn nhất) còn được dùng để làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI).
- Rất gần đây, người ta còn tạo ra nguyên tử nhân tạo từ hai hạt nano vàng mở ra khả năng ứng dụng lớn trong tương lai.
- Ngoài ra, hạt nano vàng có thể được ứng dụng làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ, làm sensor phân tích kim loại nặng.
- Ngoài ra, hạt nano bạc cũng được ứng dụng nhiều trong y học.
- Trong sinh học, các hạt nano được chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết được với các DNA, enzyme và các kháng thể.
- Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng 11 Hạt nano vàng, bạc được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào.
- Các hạt nano kim loại quý như vàng, bạc, bạch kim bền trong môi trường làm việc, thân thiện với cơ thể là đối tượng được ứng dụng nhiều nhất.
- Nhờ liên kết kháng nguyên-kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào.
- Kết quả cho thấy nếu không gắn với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư.
- Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào.
- Có rất nhiều kỹ thuật để tạo hạt nano kim loại như khử hóa học [8-9], khử điện hóa [10], khử quang hóa [11], phương pháp đồng kết tủa [12], kỹ thuật vi nhũ tương [13], quá trình polyol [14], khử rượu [15], phún xạ, bốc bay nhiệt [16,17] và nhiều phương khác [18].
- Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Co, Ni, Fe… với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp này.
- Các hạt nano Ni, Al, NiAl: 1.2.1.
- Hình thái cấu trúc và kích thước của hạt nano kim loại là rất quan trọng bởi nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất của hạt nano [23].
- Các hạt nano Ni được chế tạo bằng nhiều phương pháp thực nghiệm như phương pháp khử hóa học [23], vi sóng plasma hóa học [24] và phân tách nhiệt [25, 26].
- Fei Ma và cộng sự [29] đã nghiên cứu từ tính và sự hấp thụ vi sóng của hạt nano Ni hình cầu và thanh nano hình nón được tổng hợp bằng phương pháp hóa ướt.
- Tỷ lệ từ dư, kháng từ, độ từ thẩm và tần số cộng hưởng tự nhiên của hạt nano Ni phụ thuộc vào hình dạng của chúng.
- Nik Roselina và đồng nghiệp [30] Nghiên cứu về sự hình thành và tích tụ các hạt nano Ni.
- Hạt nano Ni hình cầu với kích thước từ 2-600nm có cấu trúc fcc được chế tạo thành công nhờ phương pháp Polyol khi tỷ lệ số mol N2H2/Ni2+=30.
- Xuemin He và Huigang Shi [31] Khi nghiên cứu về sự ảnh hưởng của Kích thước và hình dạng lên tính chất từ của hạt nano Ni.
- Nhiệt độ currie của hạt nano Ni thấp hơn so với vật liệu khối.
- Lanje và cộng sự [32] đã chế tạo hạt nano Ni cấu trúc fcc bằng phương pháp kết tủa đơn giản và chi phí thấp.
- Khi nghiên cứu về sự từ hóa đã chỉ ra có sự tương tác từ trong hạt nano Ni, nhưng gần trạng thái siêu thuận từ ở 300K.
- Ở nhiệt độ thấp (83-300K) điện trở tăng theo nhiệt độ và điện trở suất của hạt nano Ni cao hơn vật liệu khối.
- Ngoài phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô phỏng cũng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hạt nano Ni, Al.
- Saman Alavi [41] và cộng sự trong mô phỏng động lực phân tử của các hạt nano nhôm được thực hiện bằng cách sử dụng thế Streitz-Mintmire ES.
- Kết quả là hạt nano kích thước nhỏ hơn 850 nguyên tử có sự cân bằng 2 pha lỏng và rắn ở vùng nhiệt độ thấp hơn điểm nóng chảy hoàn toàn.
- Qi và cộng sự [34] 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 nóng chẩy và tinh thể hóa hạt nano Ni.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước hạt nano ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha và sự tinh thể hóa.
- Neyts và cộng sự [35] sử dụng mô phỏng Monte-Carlo kết hợp ĐLHPT với thế tương tác Morse để mô phỏng quá trình nóng chẩy của hạt nano Ni có kích thước từ 1 đến 2 nm.
- Kết quả chỉ ra có sự thay đổi từ động học chung sang quá trình nóng chẩy bề mặt khi tăng kích thước hạt nano.
- Một số nghiên cứu khác [36, 37] sử dụng mô phỏng ĐLHPT với thế liên kết chặt (tight-binding) cho thấy sự tinh thể hóa thành tinh thể fcc ở hạt nano Ni.
- Zhang và cộng sự [38] trong nghiên cứu mô phỏng của mình lại tìm thấy cấu trúc hai mươi mặt và tám mặt (octahedral) trong hạt nano Ni.
- Akbarzadeh và cộng sự [40] chỉ ra kích thước của hạt nano Ni tăng làm giảm năng lượng bề mặt.
- Như vậy, các kết quả mô phỏng nghiên cứu sự chuyển pha từ lỏng sang rắn ở hạt nano Ni cho thấy quá Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng 15 trình tinh thể hóa thành tinh thể fcc.
- Ngoài ra, kết quả cũng chỉ ra các hạt nano Ni còn có các 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 trộn lẫn fcc và hcp [33].
- Sự tiến triển về cấu trúc, động lực học của các hạt nano trên chưa rõ ràng nên chúng tôi tiến hành thêm các nghiên cứu mô phỏng tiến trình nguội nhanh tạo thành các cấu trúc hạt nano Ni, Al và AlNi.
- Trong luận văn này, phương pháp mô phỏng ĐLHPT được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc hạt nano Ni, Al và AlNi trong quá trình nguội nhanh từ pha lỏng sang pha rắn với các tốc độ nguội khác nhau.
- Các công cụ phân tích cấu trúc như hàm phân bố xuyên tâm (PBXT), các nguyên tử lân cận chung (common neighbor analysis-CNA) và hiển thị trực quan được sử dụng để phân tích cấu trúc hạt nano Ni cũng như là vật liệu khối sử dụng để đối chứng.
- Luận văn thạc sĩ Vật lý Nguyễn Mạnh Hùng 16 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HẠT NANO Trong chương này sẽ trình bày chi tiết về phương pháp ĐLHPT cũng như việc xây dựng các mẫu vật liệu hạt nano và mẫu vật liệu khối

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