Nghiên cứu cấu trúc và một số tính chất của silica và sodium silicate tt

Phân bố động học không đồng nhất trong silica lỏng đã được chỉ ra trong nhiều nghiên cứu nhưng phân bố động học theo không gian - thời gian chưa được khảo sát.. Xác định cấu trúc và chuy

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Thu Hà

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT

CỦA SILICA VÀ SODIUM SILICATE

Ngành: Vật lý kỹ thuật

Mã số: 9520401

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2019

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Vào hồi … giờ… , ngày … tháng … năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Silica và sodium silicate là các vật liệu có tính ứng dụng cao, được

sử dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực như chế tạo một số thiết bị điện tử, kính, sợi quang, xi măng, gốm sứ và chất tẩy rửa Đây cũng là các hợp chất tồn tại nhiều trong tự nhiên Vì thế, các hệ vật lý này đã thu hút nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng quan tâm

Các kết quả nghiên cứu đã cung cấp khá nhiều thông tin về cấu trúc

và động học các hệ silica và sodium silicate Trong đó, silica lỏng được xác định gồm các đơn vị cấu trúc SiOx (x = 4, 5, 6) với phần lớn là SiO4

ở áp suất thấp và các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxy chung (BO) Sự chuyển đổi cấu trúc xảy ra mạnh khi áp suất thay đổi nhưng biến đổi không nhiều theo nhiệt độ Tuy nhiên, chưa

có công trình nào khảo sát cấu trúc và chuyển đổi cấu trúc cụ thể tới từng nguyên tử Phân bố động học không đồng nhất trong silica lỏng đã được chỉ ra trong nhiều nghiên cứu nhưng phân bố động học theo không gian - thời gian chưa được khảo sát Silica lỏng khi được làm nguội chậm sẽ tạo thành tinh thể, trường hợp nguội nhanh sẽ tạo thành thủy tinh với cấu trúc gần giống với silica lỏng Một số nghiên cứu đã chỉ ra quá trình nén hay ủ ở nhiệt độ cao dẫn đến chuyển pha thủy tinh - tinh thể; trong đó nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng mạnh đến quá trình tinh thể hóa Hiện tượng chuyển đổi cấu trúc silica thủy tinh từ tứ diện SiO4 sang bát diện SiO6 khi bị nén ở áp suất cao đã được thể hiện trong nhiều công trình; tuy nhiên, các thông tin thu được về chuyển đổi cấu trúc theo áp suất dẫn tới tinh thể hóa còn hạn chế và cần tiếp tục được làm rõ hơn Trong trường hợp hệ silica có thêm thành phần ô xít sodium, cấu trúc mạng bị biến đổi: trong hệ xuất hiện một lượng đáng kể các oxy không cầu (NBO) Các nghiên cứu chỉ ra rằng nguyên tử sodium phân bố không đồng đều mà tập trung gần các NBO và xác nhận sự tồn tại kênh khuếch tán riêng của sodium (chanel) Các nghiên cứu cũng chỉ ra phân

bố không gian sodium silicate bao gồm vùng giàu sodium và vùng giàu silicon đồng thời khẳng định tồn tại động học không đồng nhất Tuy nhiên, thông tin về biến đổi cấu trúc theo thời gian chưa được các nghiên cứu chú ý tới; sự tồn tại kênh khuếch tán và cơ chế khuếch tán

2

của sodium cũng như phân bố động học trong mô hình vẫn cần tiếp tục làm rõ hơn

Với đề tài “Nghiên cứu cấu trúc và một số tính chất của silica và

sodium silicate”, chúng tôi sẽ cố gắng làm rõ hơn một số vấn đề còn tồn

tại được chỉ ra trên đây về hệ silica và sodium silicate nhằm cung cấp thêm thông tin về cấu trúc và động học các hệ này Chúng tôi cho rằng, hiểu biết rõ hơn về cấu trúc và động học hệ silica và sodium silicate có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như trong công nghệ chế tạo vật liệu

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Thông qua nghiên cứu, khảo sát các mô hình silica (SiO2) lỏng và thủy tinh, mô hình sodium silicate (Na2O.4SiO2 và Na2O.3SiO2) lỏng, luận án nhằm cung cấp các thông tin chi tiết hơn về cấu trúc và động học các hệ này Cụ thể là luận án tập trung giải quyết một số vấn đề sau đây: i Xác định cấu trúc và chuyển đổi cấu trúc theo nhiệt độ cụ thể tới từng nguyên tử trong mô hình; phân bố động học không đồng nhất trong silicalỏng theo không gian-thời gian, tương quan giữa cấu trúc và động học; ii Chuyển đổi cấu trúc silica thủy tinh khi bị nén dẫn đến tinh thể hóa; iii Cấu trúc và diễn biến thay đổi cấu trúc hệ sodium silicate, cơ chế khuếch tán và phân bố động học không đồng nhất trong mô hình

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Các kết quả thu được trong nghiên cứu của luận án bổ sung thêm các thông tin khoa học cụ thể hơn về các hệ silica và sodium silicate Đó

là cấu trúc và chuyển đổi cấu trúc silica lỏng theo nhiệt độ được xác định cụ thể tới từng nguyên tử; phân bố động học không đồng nhất trong không gian và mức độ không đồng nhất giảm theo nhiệt độ và thay đổi yếu theo thời gian Luận án cũng cho biết hiện tượng chuyển đổi cấu trúc silica thủy tinh với cấu trúc tứ diện SiO4 sang tinh thể stishovite với cấu trúc bát diện SiO6 xảy ra ở áp suất cao Ngoài ra, các kết quả khảo sát mô hình sodium silicate chỉ ra rằng chuyển đổi cấu trúc SiO3 ↔ SiO4

và BO ↔ NBO luôn xảy ra Khác với các nguyên tố silicon và oxy, sodium khuếch tán theo cơ chế nhảy và khuếch tán tập thể Kết quả cũng xác nhận sự tồn tại kênh khuếch tán riêng của sodium và phân bố động học không đồng nhất trong mô hình

Bên cạnh ý nghĩa về khoa học, các kết quả nghiên cứu của luận án còn có ý nghĩa trong thực tiễn Từ các thông tin thu được về cấu trúc và động học các hệ trên đây có thể tìm ra điều kiện chế tạo tối ưu để tạo ra các sản phẩm có chất lượng từ các vật liệu từ silica và sodium silicate

4 Các kết quả mới của luận án

Luận án đã xác định cấu trúc silica lỏng và chuyển đổi cấu trúc theo nhiệt độ cụ thể tới từng nguyên tử chưa được đề cập đến trong các nghiên cứu trước đây Dựa vào phân tích phân bố đám thuộc tập hợp các nguyên tử nhanh nhất (SMA), chậm nhất (SIMA) và ngẫu nhiên (SRA) theo không gian - thời gian, các thông tin thu được khẳng định sự tồn tại của động học không đồng nhất, tính không đồng nhất giảm theo nhiệt độ

và thay đổi yếu theo thời gian

Luận án cung cấp thông tin về chuyển đổi cấu trúc silica thủy tinh trong quá trình nén đồng thời xác định chuyển pha thủy tinh sang tinh thể stishovite xảy ra ở áp suất cao; một số thay đổi vi cấu trúc trong quá trình nén được giải thích cụ thể

Luận án đã theo dõi biến đổi cấu trúc hệ sodium silicate theo thời gian đồng thời chứng tỏ được các quá trình chuyển đổi SiO4 ↔ SiO3 và

BO ↔ NBO luôn xảy ra theo thời gian Kết quả khảo sát một số đặc trưng về các ô FNxBy đã chỉ ra sự tồn tại kênh khuếch tán riêng của sodium Trong đó, sodium khuếch tán theo cơ chế nhảy giữa các vị trí gần NBO và khuếch tán tập thể giữa BO và NBO khi xảy ra chuyển đổi Phân bố động học hệ sodium silicate cũng được xác định dựa vào phân tích các subnet tạo thành thuộc tập hợp các nguyên tử oxy nhanh nhất, chậm nhất và ngẫu nhiên Mô hình 2 miền với hệ sodium silicate được

đề xuất làm rõ hơn phân bố không gian của mô hình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC

HỆ SILICA VÀ SODIUM SILICATE

Một số phương pháp thực nghiệm điển hình như nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutro, phổ Raman và mô phỏng đã thu được khá nhiều thông tin về cấu trúc và động học hệ silica và sodium silicate

4

Silica lỏng gồm phần lớn các đơn vị cấu trúc SiOx (x = 3, 4, 5, 6) và

OSiy (y = 1, 2, 3; trong đó, SiO4 và OSi2 chiếm phần lớn (tới trên 90 %), các đơn vị cấu trúc còn lại chiếm tỉ phần nhỏ gọi là các khuyết tật [22-25] Các công trình [23, 24, 27] đã khẳng định tỉ phần các khuyết tật tăng lên khi tăng nhiệt độ ở vùng áp suất thấp (tỉ phần silicon và oxy khuyết tật tăng đến trên 15% trong dải nhiệt độ khảo sát 2100-6100 K) Phân bố không đồng nhất động học cũng được phát hiện trong mô hình silica lỏng [22, 33, 34] Tuy nhiên, chưa có công trình nào khảo sát cấu trúc và chuyển đổi cấu trúc silica lỏng cụ thể tới từng nguyên tử

Tinh thể silica có thể tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau trong điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau như tinh thể quartz, tridymite, cristobalite, coesite, stishovite, CaCl2 và PbO2 Từ các số liệu tổng hợp [12, 41, 46, 47, 51], có thể thấy rằng các dạng thù hình silica ở nhiệt độ

và áp suất thấp ở dạng tinh thể quartz có độ dài các cặp liên kết Si-O,

O-O và Si-Si tương ứng là 1,61 Å và 2,63 Å; phân bố góc O-O-Si-O-O quanh 109,0-109,8o và góc Si-O-Si quanh 144-151o. Khi bị nén, tinh thể quartz chuyển thành coesite ở áp suất trên 2 GPa và tiếp tục chuyển sang pha stishovite ở áp suất cao trên 8 GPa

Tương tự silica lỏng, silica thủy tinh được tạo bởi phần lớn các đơn

vị cấu trúc SiO4 được đặc trưng bởi độ dài liên kết các cặp Si-O và O-O tương ứng 1,59-1,62 Å và 2,61-2,63 Å với góc liên kết O-Si-O khoảng

109,0-109,8o [46, 57, 59] Các cấu trúc tứ diện này được kết nối với nhau thông qua nguyên tử O chung với góc liên kết Si-O-Si biến động trong khoảng 140-155ovớikhoảng cách Si-Si là 3,05-3,09 Å [8, 56, 58] Chuyển đổi đơn vị cấu trúc từ SiO4 sang SiO6 xảy ra mạnh trong khoảng 8-40 GPa [9, 10, 29, 76, 77] kéo theo sự tăng lên của mật độ đạt trên 4 g/cm3 Bên cạnh đó, các nghiên cứu đã phát hiện áp suất tăng dẫn đến tăng độ dài liên kết Si-O [10, 76, 78] đồng thời mở rộng phân bố góc Si-O-Si [10, 78]; tuy nhiên chưa có lí giải về các hiện tượng này và các thông tin về tinh thể hóa trong quá trình nén còn hạn chế

Sự biến đổi cấu trúc khi pha thêm ô xít alkali (Li2O, K2O và Na2O) vào silica tinh khiết đã được khẳng định: số phối trí O-Si với giá trị trung bình khoảng 1,5-1,7 trong khi số phối trí Si-O thay đổi không đáng kể với giá trị trung bình khoảng 3,7-3,9 [82, 86, 87, 94] Hiện tượng giảm mạnh số phối trí O-Si đã chứng tỏ một số liên kết O-Si bị

đứt gãy đã tạo ra các oxy không nối cầu, nơi tập trung nhiều sodium Các nghiên cứu [91, 95, 102, 103, 131] cho rằng các nguyên tử sodium khuếch tán nhảy theo kênh riêng gọi là chanel Tuy nhiên, một số vấn đề như diễn biến các chuyển đổi cấu trúc theo thời gian, phân bố sodium xung quanh từng loại oxy (oxy nối cầu, oxy không nối cầu và oxy tự do), kênh khuếch tán cũng như cơ chế khuếch tán sodium và phân bố động học cần tiếp tục được làm rõ hơn

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH

Để làm rõ hơn cấu trúc và động học các hệ silica và sodium silicate, luận án đã xây dựng các mô hình silica lỏng gồm 3000 nguyên

tử ở áp suất môi trường và nhiệt độ khác nhau: 2600 K, 3000 K và 3500 K; các mô hình silica thủy tinh gồm 4998 nguyên tử ở 500 K ở các áp suất khác nhau trong khoảng 0-100 GPa và các mô hình sodium silicate gần 8000 nguyên tử ở áp suất môi trường và nhiệt độ 1873 K Các mô hình này được xây dựng bằng phương pháp mô phỏng MD sử dụng thế BKS (với silica), thế 2 và và 3 thành phần (với sodium silicate) Cấu trúc các mô hình được xác định qua phân tích vi cấu trúc như: hàm phân

bố xuyên tâm (PBXT), số phối trí, góc liên kết và các liên kết góc, liên kết cạnh, liên kết mặt Phân bố động học được xác định dựa trên phân tích phân bố đám thuộc tập hợp các nguyên tử nhanh nhất (SMA), chậm nhất (SIMA) và so sánh với tập hợp các nguyên tử ngẫu nhiên (SRA)

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC HỆ SILICA

Loại nút

Si mNSi

Loại nút O mNO

Loại nút

Si mNSi

Loại nút O mNO

Ở đây, mỗi nguyên tử được xem như một nút liên kết được đặc

trưng bởi bộ chỉ số ZS 1 S 2 …S Z; trong đó Z là số liên kết Si-O của nguyên

tử được xem xét và S 1 , S 2 …S Z là số liên kết Si-O của các lân cận Dễ dàng thấy rằng: silica lỏng gồm phần lớn các nút Si-O tương ứng với đơn vị cấu trúc SiO4 (chiếm 88,0-95,3%) và nút oxy có 2 liên kết Si-O tương ứng với đơn vị cấu trúc OSi2 chiếm (92,4-97,4%), kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây [22-25] Trong đó, các nút thường (nút Si loại 42222 và nút oxy loại 244) chiếm 65,7 đến 87,2% tổng số nút trong toàn hệ Ngoài ra, trong hệ còn tồn tại một số ít nút silicon có

5 liên kết và nút oxy có 3 liên kết Si-O tương ứng với các đơn vị cấu trúc SiO5 và OSi3 cùng một số nút khuyết tật khác Kết quả cũng cho thấy: phần lớn các nút oxy có 2 liên kết O-Si chiếm 97,4%; trong đó nút oxy loại 244 chiếm 88,9% tính trên tổng số nút oxy của toàn mô hình và

một số nút oxy khuyết tật khác Như vậy, các kết quả khảo sát về nút thường và nút khuyết tật cho biết cấu trúc silica lỏng cụ thể ở cấp độ nguyên tử Khi nhiệt độ tăng từ 2600 K đến 3500 K, tổng số nút silicon

có 4 liên kết Si-O giảm, phù hợp với các nghiên cứu trước đây [23, 24, 27] đã khẳng định tỉ phần đơn vị cấu trúc SiO4 và OSi2 giảm khi nhiệt

độ tăng Tuy nhiên, chúng tôi phát hiện rằng: hiện tượng này không phải xảy ra với tất cả các cấu trúc loại này mà đóng góp chủ yếu là của các

nút thường (nút silicon loại 42222 và nút oxy loại 244)

3.1.2 Subnet thường và subnet khuyết tật

subnet này tăng lên theo

thời gian Điều này này

chứng tỏ rằng sự

chuyển đổi các nút hiếm

khi xảy ra trong vùng

mạng chính mà chủ yếu

diễn ra ở vùng biên giữa các vùng mạng Kết quả tính toán tỉ số nSi/nO

(subnet thường: nSi/nO  0,5; subnet khuyết tật: nSi/nO  0,6) cho thấy

các subnet thường giàu oxy trong khi các subnet khuyết tật giàu silicon

3.1.3 Chuyển đổi các nút và hiện tượng động học

Để xem xét phân bố vùng chuyển đổi các nút ở các nhiệt độ khác nhau, chúng tôi xét một tập hợp các nút khuyết tật ở thời điểm ban đầu

(SDN) Gọi nSDNt và nSDN tương ứng là số nút khuyết tật trong tập hợp

Hình 3.5 Sự phụ thuộc vào thời gian

của tỉ phần n DNt /n DN và n SDNt /n SDN ở nhiệt độ 2600 K, 3000K và 3500 K

0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 0,4

nDNt/nDN

8

SDN ở thời điểm t và số nút thuộc tập hợp SND; nDNt và nDN tương ứng

là số nút khuyết tật trong toàn mô hình ở thời điểm t và tổng số nút

trong toàn mô hình Khi đó, sự mở rộng các vùng chuyển đổi được thể

hiện qua tỉ phần nSDNt/nSDN và nDNt/nDN Do sự chuyển đổi của các nút

nên nSDN > nSDNt và nSDN > nSDNt, sự thay đổi nDNt/nDN và nSDNt/nSDN theo thời gian được thể hiện trên hình 3.5 Có thể thấy rằng, ở 2600 K: tỉ

phần nSDNt/nSDN xét cho một tập hợp nút khuyết tật SDN lớn hơn đáng kể

so với toàn hệ và nSDNt/nSDN giảm theo thời gian tới giá trị nDNt/nDN Điều này chứng tỏ sự chuyển đổi các nút có xu hướng diễn ra trong miền nhỏ

ở nhiệt độ thấp và được mở rộng tới các miền khác nhau trong toàn hệ ở nhiệt độ cao Kết quả này đã làm rõ hơn các công bố trước đây [22, 33, 34] về khẳng định sự tồn tại của động học không đồng nhất đồng thời thuyên giảm động học xảy ra khi nhiệt độ giảm và có nguyên nhân từ phân bố không đồng nhất động học

3.2 Động học không đồng nhất và mô hình 2 miền

3.2.1 Phân bố động học theo không gian-thời gian Mô hình

2 miền

Kết quả tính toán F link (r, t) cho các nguyên tử thuộc ba tập hợp

(SMA, SIMA và SRA) ứng với mỗi nhiệt độ khảo sát (3000 K và 3500

K) vào thời điểm 71,7 ps và 143,4 ps cho biết phân bố đám thay đổi

theo khoảng cách giữa 2 nguyên tử thuộc các tập hợp được thể hiện

trong hình 3.6 a và hình 3.6 b Ở nhiệt độ 3000 K, F link (r, t) được ghi lại ở thời điểm 71,7 ps đối với cả 3 tập hợp đều giảm đột ngột với r tăng

trong khoảng 1,3-1,9 Å Tuy nhiên mức độ thay đổi đối với mỗi tập hợp

khác nhau, cụ thể là: khi khoảng cách r giảm tới 1,9 Å, giá trị F link (r, t)

giảm đột ngột từ 600 xuống còn 250 đám đối với SIMA và 378 đám đối

với SMA trong khi cũng ở khoảng cách liên kết này, F link (r, t) đối với

SRA là 445 đám Sự khác nhau rõ rệt này cho thấy các nguyên tử nhanh nhất và chậm nhất phân bố không đồng đều trong mô hình, chúng có xu hướng tạo thành các đám, điều này cũng đã được chỉ ra trong nghiên

cứu [22, 33, 34] Từ 1,9 Å đến 2,6 Å, F link (r, t) ứng với cả 3 tập hợp thay đổi rất ít và F link (r, t) tiếp tục giảm khi r tăng F link (r, t) biến đổi không nhiều theo thời gian Ở nhiệt độ 3500 K, sự khác nhau giữa F link

(r, t) thuộc 3 tập hợp ít hơn Các kết quả cho thấy: ở nhiệt độ thấp, tập

hợp các nguyên tử nhanh nhất và chậm nhất phân bố không đồng đều

trong không gian, mức độ không đồng đều giảm khi tăng nhiệt độ và biến đổi không nhiều trong khoảng thời gian quan sát

Hình 3.7 cho biết ở 3000 K, số liên kết trong các tập hợp khác nhau

rõ rệt và giảm theo thứ tự: SIMA → SMA → SRA, số liên kết thuộc loại SMA-SIMA là rất nhỏ

Trường hợp hệ ở 3500 K,

số liên kết trong SMA và

SIMA gần như nhau với số

liên kết trong SIMA vẫn

lớn nhất Như vậy, hầu hết

các subnet được tạo thành

gồm các nguyên tử thuộc

tập hợp SMA hoặc SIMA,

điều này cho thấy tập hợp

nguyên tử nhanh nhất hay

trên phù hợp với đặc điểm cấu trúc mạng silica lỏng đã khẳng định độ

tin cậy của các thông tin về động học không đồng nhất thu được từ F link

(r, t) Các phân tích đã chỉ ra các tập hợp nguyên tử nhanh nhất và chậm

Hình 3.6 Phân bố không gian của các tập hợp SMA, SIMA

và SRA ở thời điểm t =71,7 ps (a) và 143,4 ps (b)

3500 K

1 2 3 4 5 6 0

100 200 300 400 500 600

Hình 3.7 Số liên kết Si-O (N Si-O ) thuộc các tập hợp SMA, SIMA, SRA và SMA- SIMA phụ thuộc vào thời gian

0 20 40 60 80 100 120 140 160 100

200 300 400 100 200 300 400

3000 K

NSi-O

t (ps)

SMA SIMA SRA SMA-SIMA

3500 K

10

nhất trong silica lỏng được phân bố thành các vùng riêng biệt Từ các biểu hiện này, chúng tôi đề xuất mô hình phân bố không gian trong silica lỏng gồm miền nhanh và miền chậm Trong đó, miền chậm là khoảng không gian trong đó sự sắp xếp lại của các nguyên tử diễn ra yếu hơn nhiều so với phần còn lại của mạng; miền này tập trung nhiều nguyên tử chậm nhất và rất ít các nguyên tử nhanh Ngược lại, miền nhanh là khoảng không gian còn lại trong mô hình trong đó sự sắp xếp của các nguyên tử diễn ra mạnh; miền này tập trung nhiều nguyên tử nhanh nhất Các nguyên tử ngẫu nhiên được xem như phân bố đồng đều trong cả 2 miền

3.2.2 Phân bố kích thước

Phân bố kích thước đám thuộc tập hợp các nguyên tử nhanh nhất,

chậm nhất và ngẫu nhiên ứng với r lk = 1,9 Å ở 3000 K được thống kê trong bảng 3.5

Bảng 3.5 Phân bố kích thước các đám tạo thành thuộc các tập hợp SMA,

SIMA và SRA ở 3000 K (r lk = 1,9 Å) ứng với các thời điểm 71,7 ps và 143,4

ps Ở đây S Cl và N ClS tương ứng là kích thước đám và số đám

Các đám thuộc SRA có kích thước nhỏ chỉ từ 1 đến 6 nguyên tử trong khi đó các tập hợp SMA và SIMA tồn tại nhiều đám lớn có kích thước từ 7 nguyên tử trở lên Đặc biệt có đám trong tập hợp SMA lên tới

16 nguyên tử và trong tập hợp SIMA lên tới 36 nguyên tử Kết quả cho thấy các nguyên tử nhanh nhất và chậm nhất có hiện tương kết tụ thành đám lớn trong không gian và biến động không nhiều theo thời gian Phân bố kích thước của các đám tạo thành ở 3500 K được tổng hợp trong bảng 3.6 Các số liệu cho phân bố này thuộc SMA và SRA là tương tự nhau; đồng thời sự khác nhau trong phân bố thuộc SIMA và SRA ít hơn so với trường hợp ở 3000 K Tóm lại, các kết quả phân bố kích thước đám đã cung cấp các thông tin chi tiết hơn về động học không đồng nhất trong silica lỏng đồng thời cho biết mức độ không đồng nhất giảm khi nhiệt độ tăng và biến động không nhiều trong khoảng thời gian quan sát Các kết quả đã mô tả cụ thể hơn phân bố động học không đồng nhất so với các nghiên cứu trước đây [22, 33, 34]

Để thấy được cụ thể về biến động của các đám được tạo thành từ tập hợp các nguyên tử được lựa chọn, chúng tôi tiếp tục khảo sát sự thay

đổi theo thời gian của các đám lớn ở 3000 K Ban đầu (t = 0 ps), chúng

tôi xác định tất cả các đám lớn có kích thước từ 5 nguyên tử, các đám tìm được gọi là đám ban đầu Tiếp theo, chúng tôi xác định danh sách các nguyên tử thuộc các đám ban đầu Theo thời gian, các nguyên tử trong danh sách này phân bố lại tạo thành các đám mới gọi là các đám tạo lại; đám tạo lại có ít nhất một nguyên tử thuộc danh sách được tìm thấy và có thể bao gồm cả các nguyên tử được lựa chọn khác Kết quả tính toán được chỉ ra trong bảng 3.7 và bảng 3.8 Dễ dàng thấy rằng số đám thuộc tập hợp SMA ở 3000 K tăng mạnh từ 16 đến 57 đám trong khoảng thời gian quan sát (xem bảng 3.7) Sự phân bố lại các nguyên tử thuộc tập hợp SIMA được tổng hợp trong bảng 3.8 với tổng số đám biến động không đáng kể từ 31-42 đám Trong đó, xuất hiện một số đám tạo lại có kích thước dưới 5 nguyên và có đám tạo lại có kích thước lớn hơn đám ban đầu Các kết quả này không chỉ cho thấy hiện tượng phân chia các đám lớn rồi sau đó hợp nhất các đám cũng xảy ra mạnh hơn với tập hợp SMA mà còn cho biết sự sắp xếp lại của các nguyên tử trong miền chậm yếu hơn đáng kể so với trong miền nhanh như đã chỉ ra trong mô hình 2 miền

12

Bảng 3.6 Phân bố kích thước các đám tạo thành thuộc các tập hợp SMA,

SIMA và SRA ở 3500 K (r lk = 1,9 Å) ứng với các thời điểm 71,7 ps và 143,4

ps Ở đây S Cl và N ClS tương ứng là kích thước đám và số đám

Bảng 3.7 Diễn biến theo thời gian của các đám lớn từ 5 nguyên tử thuộc tập

hợp SMA ở 3000 K với r lk = 1,9 Å Ở đây, S Cl và N ClS tương ứng là kích thước đám và số đám