- CẤU TRÚC LỚP TẠI GIAO DIỆN LỎNG - HƠI CỦA KIM LOẠI LỎNG SIÊU LẠNH CÓ BỀ MẶT TỰ DO. - Cấu trúc lớp, kim loại lỏng siêu lạnh, bề mặt tự do. - Áp dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử để khảo sát các tính chất nhiệt động học của mô hình Nickel lỏng ở trạng thái siêu lạnh, chúng tôi phát hiện hệ tồn tại cấu trúc lớp tại nhiệt độ 1220K (rất gần với nhiệt độ chuyển pha rắn – lỏng siêu lạnh, 1190K, của hệ). - Mặt khác, sự khác biệt trong cấu trúc xếp chặt của vùng không gian có cấu trúc lớp so với vùng không có cấu trúc lớp trong hệ cũng được tìm thấy, trên cơ sở phân tích hàm phân bố xuyên tâm g(r). - Ngoài ra, dựa vào sự phân bố số phối vị, chúng tôi lại một lần nữa nhận ra rằng mật độ hạt trong vùng cấu trúc lớp có giá trị vượt trội so với phần còn lại trong mô hình. - Cấu trúc lớp trên bề mặt kim loại lỏng đã được tìm thấy bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đối với một số kim loại thuần như Ga (M. - Regan et al., 1995), Hg (O. - Magnussen et al., 1995), In (H.. - Shpyrko et al., 2004). - Gần đây, cấu trúc này còn xuất hiện trong nước tinh khiết ở trạng thái. - siêu lạnh (LÜ Yongjun et al., 2006), đây là một điều tương đối bất ngờ và hiếm hoi, vì một số nghiên cứu trước đó cho rằng cấu trúc lớp không thường xuất hiện tại bề mặt tự do của các chất điện môi hay các chất lỏng ion (TartaglinoU et al., 2005. - Zykova-Timan T et al., 2005). - Trong giới hạn tìm kiếm, chúng tôi vẫn chưa tìm được bài báo thứ hai nói về cấu trúc lớp trong một chất lỏng siêu lạnh.. - Radin, 1979) đã từng cho rằng cấu trúc lớp cũng xuất hiện bên trong khối vật liệu, nhưng bản chất của hiện tượng này trong các chất lỏng khác nhau đã không được giải thích thỏa đáng. - Iarlori et al., 1989 cũng chứng tỏ rằng bề mặt kim loại lỏng có cấu trúc trật tự gần (gần giống với cấu trúc tinh thể) hơn so với khối chất lỏng bên dưới khi ở cùng nhiệt độ. - Họ cũng cho rằng trong các chất lỏng đơn giản dùng thế cặp thì bề mặt của chúng sẽ ít trật tự hơn so với cấu trúc khối của chất lỏng bên dưới. - Tuy nhiên, Chacon et al., 2001 lại cho rằng cấu trúc lớp ở bề mặt có thể là một tính chất chung của các chất lỏng có bề mặt tự do ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ nóng chảy của chúng phải tương đối thấp so với nhiệt độ tới hạn để tránh quá trình tinh thể hóa. - Ngoài các hướng nghiên cứu chính là lý thuyết và thực nghiệm, phương pháp mô phỏng động lực học phân tử cũng được xem là một trong những công cụ đắc lực giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc lớp ở cấp độ nguyên tử. - Daw et al., 1983. - Daw et al., 1986). - Foiles et al., 1986). - 7.717 g/cm 3 tại nhiệt độ 1773 K (F. - Cherne et al., 2001) (với nhiệt độ nóng chảy của hệ là 1726 K). - Ban đầu hệ với điều kiện biên tuần hoàn được phục hồi ở nhiệt độ 3000 K sau 10 5 bước MD để đạt trạng thái lỏng cân bằng. - sau đó, từng bước làm lạnh mô hình qua các nhiệt độ trung gian để cuối cùng thu được trạng thái tinh thể ở 300 K. - Nhiệt độ giảm tuyến tính theo thời gian theo biểu thức. - Tuy nhiên, mẫu Ni mà chúng tôi chọn khảo sát lại có một tính chất khác, nó vẫn ở trạng thái lỏng khi nhiệt độ nhỏ. - Để tìm hiểu về cấu trúc lớp của chất lỏng siêu lạnh này, nghiên cứu đã tiến hành vẽ hàm mật độ của nó tại một số nhiệt độ (1180 K, 1190 K, 1220 K, 1300 K, 1600 K, 1850 K) lân cận nhiệt độ chuyển pha rắn – lỏng của mẫu (1190 K).. - Hình 1: Hàm mật độ của hệ tại các nhiệt độ 1180 K, 1190 K, 1220 K, 1300 K, 1600 K, 1850 K Hình 1 cho thấy rằng cấu trúc lớp chỉ xuất hiện. - tại nhiệt độ 1220 K (đường màu đen thứ 3, từ dưới đếm lên), khi hệ đang ở trạng thái lỏng siêu lạnh,. - và cấu trúc lớp này chỉ xuất hiện ở một phía của mẫu (xét theo phương z). - Hình 2 cho thấy ảnh cấu trúc lớp rõ hơn tại nhiệt độ 1220 K.. - Hình 2: Hàm mật độ của hệ tại nhiệt độ 1220 K. - Cấu trúc lớp xuất hiện trên bề mặt mẫu. - Theo Hình 2, cấu trúc lớp tại nhiệt độ 1220 K xuất hiện tại bề mặt mẫu. - động tắt dần khi đi từ bề mặt tự do của mẫu vào trong cấu trúc khối. - Theo Bảng 1, do bề rộng của các lớp luôn nhỏ hơn giá trị hằng số mạng của Nickel (3.507 Å) nên chắc chắn cấu trúc lớp này không phải là sự sắp xếp của mạng tinh thể. - Iarlori et al., 1989. - Chacon et al., 2001. - Harris et al., 1987. - Zhao et al., 1997. - Zhao et al., 1998. - Ngoài ra, cấu trúc lớp mà nghiên cứu phát hiện được có dáng điệu mất dần khi tiến sâu vào cấu trúc bên trong của mẫu, trong. - khi cấu trúc tinh thể thì lại tuần hoàn trên toàn bộ mẫu.. - Tiếp theo, để có thể hình dung được cấu trúc xếp chặt của các nguyên tử trong từng lớp tại nhiệt độ 1220 K, cũng như sự khác biệt rõ rệt giữa nhiệt độ (1220 K) có cấu trúc lớp và nhiệt độ không có cấu trúc lớp (ví dụ như 1300 K), nghiên cứu tiến hành khảo sát hàm phân bố xuyên tâm g(r) (Võ Văn Hoàng, 2004) theo hai hướng chính. - Thứ nhất, nghiên cứu so sánh hàm phân bố xuyên tâm giữa các lớp tại nhiệt độ 1220 K. - Sau đó, nghiên cứu phân tích hàm phân bố xuyên tâm g(r) tại nhiệt độ 1300 K trên cơ sở so sánh với g(r) tại nhiệt độ 1220 K.. - Hình 3: Hàm phân bố xuyên tâm g(r) được vẽ cho cả hệ (đường chấm chấm), cho lớp 1 (đường liền nét đậm) và cho từng lớp còn lại tại nhiệt độ 1220 K. - Chekmarev et al., 1998. - Harris et al., 1987.. - Zhao et al., 1998). - Hàm g(r) của các lớp bên trong gần như trùng nhau hoàn toàn, chứng tỏ cách sắp xếp của các nguyên tử trong các lớp này giống nhau, và giống với cấu trúc khối trong mẫu.. - Đỉnh cao nhất của g(r) của lớp 1 cao hơn đỉnh cao nhất của g(r) của các lớp bên trong, chứng tỏ cấu trúc xếp chặt ở lớp ngoài cùng diễn ra mạnh mẽ hơn. - Hàm g(r) của lớp ngoài cùng có sự ghồ ghề, chứng tỏ lớp bề mặt của mẫu có sai hỏng mạng, có cấu trúc chân không, hay sự hiện diện của các. - khuyết tật cấu trúc.. - Tiếp theo, chúng tôi khảo sát hàm phân bố xuyên tâm g(r) của mẫu tại nhiệt độ 1300 K trên cơ sở so sánh với các hàm phân bố xuyên tâm g(r) của mẫu tại nhiệt độ 1220 K. - Do đó, tại nhiệt độ 1300 K, chúng tôi cũng giả định chia vùng không gian tương ứng của mẫu thành từng lớp như khi mẫu có nhiệt độ 1220 K. - Nếu dịch chuyển giá trị g(r) của lớp ngoài cùng tại hai nhiệt độ 1220 K và 1300 K theo cùng một khoảng cách, ta sẽ thấy được sự nổi bật về cấu trúc lớp trong 1220 K.. - Ở Hình 4, các lớp tại nhiệt độ 1300 K được giả định theo bề rộng của các lớp tại nhiệt độ 1200 K.. - So sánh hai hình (a) và (b) trong Hình 4, với cùng một độ dịch chuyển giá trị g(r) của lớp ngoài cùng, rõ ràng cấu trúc lớp ngoài cùng ở 1220 K là nổi bật khi sự chênh lệch giữa độ cao của lớp ngoài cùng và các lớp bên trong tại 1220 K luôn lớn hơn trong 1300 K.. - Để thấy rõ hơn vấn đề trên, chúng tôi thực hiện so sánh hàm g(r) của lớp ngoài cùng tại hai nhiệt độ 1220 K và 1300 K.. - Hình 5: So sánh lớp ngoài cùng tại 1220K (đường in đậm) và tại 1300K Hình 5 cho thấy sự khác biệt rõ rệch về cấu trúc. - của lớp ngoài cùng tại nhiệt độ 1220 K và tại nhiệt độ 1300 K. - Hàm g(r) của lớp ngoài cùng tại 1220 K (đường in đậm) có biên độ dao động cao hơn và cấu trúc tắt dần chậm hơn, chứng tỏ các hạt trong lớp ngoài cùng tại 1220 K có cấu trúc xếp chặt hơn, và có mật độ cao hơn. - Ở Hình 6, chúng tôi trình bày phân bố số phối vị trong mặt cầu phối vị thứ nhất, của ba lớp ngoài cùng tại nhiệt độ 1220 K và tại nhiệt độ 1300 K (chúng tôi chỉ chọn ba lớp ngoài cùng để khảo sát số phối vị, vì theo Hình 4, các lớp bên trong tại hai nhiệt độ này gần như trùng nhau hoàn toàn). - Hình 6: Phân bố số phối vị của ba lớp ngoài cùng tại nhiệt độ 1220 K (hình a) và 1300 K (hình b). - Hình 6 cho thấy khi nhiệt độ trong mẫu hạ xuống thì có sự co cụm lại của sự phân bố số phối vị trong các lớp, có nghĩa rằng mức độ trật tự trong hệ đã tăng khi nhiệt độ của hệ giảm. - Tuy nhiên, lớp ngoài cùng có sự co cụm phân bố số phối vị rõ rệt nhất khi nhiệt độ của mẫu giảm. - Nếu ở nhiệt độ 1300 K, sự phân bố số phối vị trong lớp 1 mang tính dàn trải, với số lượng có số phối vị 12 chiếm đa số, thì ở nhiệt độ 1220 K, số lượng các hạt trong mẫu có số phối vị 13 lại chiếm đa số. - Số phối vị 12 ứng với cấu trúc icosahedral chuẩn và số phối vị 13 ứng với cấu trúc ICO khuyết tật. - Đây là hai cấu trúc trật tự gần đặc trưng của Nickel lỏng, cấu trúc đối xứng bậc 5 (Brent. - Walker et al., 2007). - Ngoài ra, số phối vị 12 cũng đặc trưng cho cấu trúc tinh thể FCC (Face-centered cubic, cấu trúc lập phương tâm mặt) và HCP ( hexagonal close packed, cấu trúc xếp chặt 6 cạnh). - Do đó, có thể tổng quát rằng tại nhiệt độ xuất hiện cấu trúc lớp của một chất lỏng siêu lạnh thì lớp ngoài cùng của mẫu có sự thay đổi rõ rệt và đáng kể về cấu trúc xếp chặt. - Trong đó, số nguyên tử có số phối vị 12 và 13 chiếm đa số, đặc trưng cho cấu trúc giả tinh thể trên bề mặt mẫu.. - Croxton et al., 1974).. - Bảng 2: Mật độ hạt của ba lớp ngoài cùng tại nhiệt độ 1220 K. - Như vậy, Bảng 2 một lần nữa đã chứng minh được rằng mật độ hạt của lớp ngoài cùng tại nhiệt độ 1220 K là cao nhất, và là một đặc trưng quan trọng của cấu trúc lớp trong mẫu kim loại lỏng nói chung.. - Cuối cùng, chúng tôi giới thiệu ảnh 3D tại bề mặt của mẫu tại nhiệt độ 1220 K.. - Hình 7: Ảnh 3D về lớp bề mặt của mẫu tại nhiệt độ 1220 K. - Hình 7 cho thấy bề mặt mẫu gồ ghề, nhấp nhô, tương ứng với cấu trúc lớp của sự phân bố mật độ không đồng đều mà chúng tôi đã phân tích ở trên.. - Trên hình có một số chấm màu xuất hiện trên bề mặt mẫu, trong đó chấm tròn màu đỏ đặc trưng cho cấu trúc BCC (body centered cubic, cấu trúc lập phương tâm khối), màu lam đặc trưng cho cấu trúc FCC, màu vàng đặc trưng cho cấu trúc ICO, màu lục đặc trưng cho cấu trúc HCP và màu trắng đặc trưng cho các cấu trúc còn lại.. - Bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, chúng tôi đã thu nhận được cấu trúc lớp xuất hiện tại bề mặt của kim loại lỏng siêu lạnh có bề mặt tự do tại nhiệt độ 1220K, với bề rộng của mỗi lớp có giá trị trong khoảng từ 1.89 Å đến 2.18 Å. - Trong vùng cấu trúc lớp này, các nguyên tử xếp chặt nhau và tạo thành các nhóm cấu trúc, với số phối vị 12 (đặc trưng cho cấu trúc ICO chuẩn) và 13 (đặc trưng cho cấu trúc ICO khuyết tật) chiếm đa số. - Nói cách khác, cấu trúc lớp trong trường hợp này là một cấu trúc giả tinh thể. - Tuy nhiên, toàn bộ vấn đề mà chúng tôi trình bày trên đây mới chỉ là bằng chứng và một số đặc trưng quan trọng về cấu trúc lớp tại giao diện của kim loại lỏng siêu lạnh có bề mặt tự do. - Walker et al., 2007. - Croxton et al., 1974. - Cherne et al., 2001. - Buff et al., 1965. - Tostmann et al., 1999. - LÜ Yongjun et al., 2006. - Regan et al.,1995. - Daw et al., 1986. - Foiles et al., 1986. - Shpyrko et al., 2003. - Shpyrko et al., 2004. - Magnussen et al., 1995. - TartaglinoU et al., 2005. - Zykova-Timan T et al., 2005