Mô phỏng vi cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong các ô xít mgo, al2o3 và geo2 ở trạng thái lỏng

Hoàng đã chỉ ra tính không đồng nhất trong Al2O3 bằng hàm tương quan hai điểm và bốn điểm; hay như sử dụng phương pháp trực quan hóa cũng có thể quan sát hiện tượng động học kể trên...Tu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MAI THỊ LAN

MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MAI THỊ LAN

MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN

Ở TRẠNG THÁI LỎNG Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT

Mã số: 62520401

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYỄN VĂN HỒNG

2 PGS.TSKH PHẠM KHẮC HÙNG

HÀ NỘI - 2015

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

Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh

1.PGS.TS.Nguyễn Văn Hồng 2.PGS.TSKH.Phạm Khắc Hùng Mai Thị Lan

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TSKH Phạm Khắc Hùng và

TS Nguyễn Văn Hồng, 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 26 tháng 10 năm 2015

Mai Thị Lan

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 4

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Các hệ ô xít 12

1.1.1 Hệ ô xít magiê - MgO 13

1.1.2 Hệ ô xít nhôm – Al2O3 15

1.1.3 Hệ ô xít giécmani – GeO2 16

1.2 Hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất 18

1.2.1 Hiện tượng động học không đồng nhất 19

1.2.2 Hiện tượng đa thù hình 29

1.3 Tổng quan về các mô hình nguyên tử được nghiên cứu bằng kỹ thuật trực quan hóa 30

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.1 Xây dựng mô hình động lực học phân tử 35

2.1.1 Thế tương tác 35

2.1.2 Xây dựng mô hình MgO, Al2O3 và GeO2 37

2.2 Mô phỏng vi cấu trúc 41

2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm 41

2.2.2 Xác định số phối trí và độ dài liên kết 42

2.2.3 Xác định phân bố góc 42

2.3 Mô phỏng động học 44

2.4 Kỹ thuật trực quan hóa dữ liệu động lực học phân tử 47

CHƯƠNG 3 VI CẤU TRÚC CỦA MgO, Al 2 O 3 VÀ GeO 2 LỎNG 3.1 Vi cấu trúc của MgO, Al2O3 và GeO2 ở áp suất khác nhau 54

3.1.1 Mô hình MgO lỏng 54

3.1.2 Mô hình Al2O3 lỏng 61

3.1.3 Mô hình GeO2 lỏng 64

3.2 Vi cấu trúc của MgO, Al2O3 và GeO2 ở nhiệt độ khác nhau 67

3.2.1 Mô hình MgO lỏng 67

3.2.2 Mô hình Al2O3 lỏng 75

3.2.3 Mô hình GeO2 lỏng 77

CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC TRONG MgO, Al 2 O 3 VÀ GeO 2 LỎNG 4.1 Cơ chế khuếch tán trong MgO, Al2O3 và GeO2 lỏng 84

4.1.1 Xác định hệ số khuếch tán theo phương trình Einstein 84

4.1.2 Cơ chế khuếch tán thông qua cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc 88

4.2 Động học không đồng nhất trong MgO, Al2O3 và GeO2 lỏng 99

4.3 Đa thù hình trong MgO, Al2O3 và GeO2 lỏng 113

KẾT LUẬN 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 130

Bảng 3.1 Đặc trưng cấu trúc của MgO lỏng dưới ảnh hưởng của áp

suất: r và g(r) là vị trí và độ cao đỉnh cực đại thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm; Z là số phối trí cặp trung bình

54

Bảng 3.2 Đặc trưng cấu trúc của Al2O3 lỏng dưới ảnh hưởng của áp

suất: r và g(r) là vị trí và độ cao đỉnh cực đại thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm; Z là số phối trí cặp trung bình;

Alx, Oy – tỉ lệ các đơn vị cấu trúc AlOx và liên kết OAly

61

Bảng 3.3 Đặc trưng cấu trúc của GeO2 lỏng dưới ảnh hưởng của áp

suất: r và g(r) là vị trí và độ cao đỉnh cực đại thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm; Z là số phối trí cặp trung bình;

Gex, Oy – tỉ lệ các đơn vị cấu trúc GeOx và liên kết OGey

64

Bảng 3.4 Đặc trưng cấu trúc của MgO lỏng dưới ảnh hưởng của

nhiệt độ: r và g(r) là vị trí và độ cao đỉnh cực đại thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm; Z là số phối trí cặp trung

bình

67

Bảng 3.5 Phân bố số phối trí của MgO lỏng ở các nhiệt độ khác

nhau C x là tỉ lệ các đơn vị MgOx; D x là tỉ lệ các đơn vị OMgx.(x = 2, 3, 4, 5, 6)

69

Bảng 3.6 Đặc trưng cấu trúc của Al2O3 lỏng dưới ảnh hưởng của

nhiệt độ: r và g(r) là vị trí và độ cao đỉnh cực đại thứ nhất

75

3

của hàm phân bố xuyên tâm; Z là số phối trí cặp trung

bình; Alx, Oy – tỉ lệ các đơn vị cấu trúc AlOx và liên kết OAly

Bảng 3.7 Đặc trưng cấu trúc của GeO2 lỏng dưới ảnh hưởng của nhiệt

độ: r và g(r) là vị trí và độ cao đỉnh cực đại thứ nhất của

hàm phân bố xuyên tâm; Z là số phối trí cặp trung bình;

Gex, Oy – tỉ lệ các đơn vị cấu trúc GeOx và liên kết OGey

78

Bảng 4.1 Hệ số tự khuếch tán của Mg, Al và Ge trong các chất lỏng

MgO, Al2O3 và GeO2 tương ứng ở các áp suất khác nhau

86

Bảng 4.2 Hệ số tự khuếch tán của Mg, Al và Ge trong các chất lỏng

MgO, Al2O3 và GeO2 tương ứng ở các nhiệt độ khác nhau

88

Bảng 4.3 Sự thay đổi số phối trí của nguyên tử Mg thứ j qua các

trạng thái; Z i – số nguyên tử ô xy phối trí; n là bước thời gian mô phỏng; P là áp suất

89

Bảng 4.4 Đặc trưng động học v tr , D tr , D trong các chất lỏng cấu trúc

mạng MgO, Al2O3 và GeO2 ở các áp suất khác nhau

96

Bảng 4.5 Đặc trưng động học v tr , D tr , D trong các chất lỏng cấu trúc

mạng MgO, Al2O3 và GeO2 ở các nhiệt độ khác nhau

97

Hình 1.5 Sự chuyển dạng cấu trúc từ đa diện GeO4 sang đa diện GeO5

dưới áp suất nén 6 GPa

28

Hình 1.6 Hình ảnh mô phỏng động lực học phân tử pha mật độ thấp và

pha mật độ cao tồn tại trong nước đá vô định hình

28

Hình 1.7 Trực quan khoa học – các tầng Ozon trên trái đất 32 Hình 1.8 Trực quan thông tin – các liên kết web tự động 32 Hình 2.1 Mô hình động lực học phân tử đối với hệ ô xít hai nguyên 39 Hình 2.2 Minh họa góc liên kết O-T-O trong đơn vị cấu trúc TOx và góc

T-O-T giữa các đơn vị cấu trúc kề nhau

43

Hình 2.3 Minh họa cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc TOx→TOx±1 45

Hình 3.1 Các hàm phân bố xuyên tâm thành phần của MgO lỏng ở nhiệt

độ 3400 K, 0 GPa so sánh với tính toán nguyên lí ban đầu

52

Hình 3.2 Hàm phân bố xuyên tâm tổng thể của Al2O3 lỏng ở nhiệt độ 3000

K, 0 GPa so sánh với thực nghiệm

Hình 3.10 Cấu trúc mạng ngẫu nhiên của hệ Al2O3 lỏng tại áp suất 0 GPa

(a) và 20 GPa (b) ở nhiệt độ 3000K Quả cầu vàng là Al, xanh là

O

63

Hình 3.11 Cấu trúc mạng ngẫu nhiên của hệ GeO2 lỏng tại áp suất 0 GPa

(a) và 40 GPa (b) ở nhiệt độ 3200K Quả cầu đỏ là Ge, xanh là

Hình 3.13 Cấu trúc mạng ngẫu nhiên của hệ MgO lỏng tại áp suất 0 GPa

và nhiệt độ 3400K (a) và 5000 K (b) Quả cầu đỏ là Mg, xanh là

Hình 3.17 Cấu trúc mạng ngẫu nhiên của hệ Al2O3 lỏng tại áp suất 0 GPa ở

nhiệt độ 2000K (a) và 4000 K (b) Quả cầu vàng là Al, xanh là

O

76

Hình 3.18 Cấu trúc mạng ngẫu nhiên của hệ GeO2 lỏng tại áp suất 0 GPa,

nhiệt độ 1500 K (a) và 4000 K (b) Quả cầu xanh to là Ge, xanh nhỏ là O

79

Hình 3.19 Trực quan các đơn vị cấu trúc cơ bản TOx 81 Hình 3.20 Liên kết giữa các đơn vị cấu trúc TOx bởi cầu O 81

6

Hình 3.21 Phân bố số phối trí ở các áp suất khác nhau 82 Hình 3.22 Phân bố số phối trí ở các nhiệt độ khác nhau 82 Hình 4.1 Sự phụ thuộc trung bình của bình phương độ dịch chuyển

<r 2 (t)> vào số bước thời gian mô phỏng n ở áp suất khác nhau

85

Hình 4.2 Sự phụ thuộc trung bình của bình phương độ dịch chuyển

<r 2 (t)> vào số bước thời gian mô phỏng ở nhiệt độ khác nhau

87

Hình 4.3 Minh họa sự trao đổi ô xy phối trí giữa các đơn vị cấu trúc MgOx

của nguyên tử Mg thứ i trong MgO lỏng

89

Hình 4.4 Sự thay đổi số phối trí z i (n) trong suốt 10000 bước mô phỏng ở

áp suất 25.20 GPa (a), 0.08 GPa (b) Ở đây z i (n) là số phối trí của

nguyên tử thứ Mg thứ i ở tại bước thời gian n

90

Hình 4.5 Sự thay đổi số phối trí z i (n) trong suốt 10000 bước thời gian mô

phỏng ở áp suất thấp và áp suất cao đối với hệ Al2O3 và GeO2

91

Hình 4.6 Sự thay đổi số phối trí z i (n) trong suốt 10000 bước thời gian mô

phỏng ở 3400 K (MgO) ; 2400 K (Al2O3) và 1500 K (GeO2)

93

Hình 4.7 Sự phụ thuộc của số chuyển đổi m tr vào số bước mô phỏng n và

sự phụ thuộc của trung bình của bình phương độ dịch chuyển

<r 2 (t)> vào số chuyển đổi m tr ở các áp suất khác nhau

94

Hình 4.8 Sự phụ thuộc của số chuyển đổi m tr vào số bước mô phỏng n và

sự phụ thuộc của trung bình của bình phương độ dịch chuyển

<r 2 (t)> vào số chuyển đổi mtr ở các nhiệt độ khác nhau

95

Hình 4.9 So sánh hệ số khuếch tán tính theo phương trình Einteins (2.12)

và phương pháp chuyển đổi đơn vị cấu trúc - phương trình (2.17) ở các áp suất khác nhau (trái) và nhiệt độ khác nhau (phải)

98

Hình 4.10 Phân bố chuyển đổi TOx→TOx±1 ở các áp suất khác nhau 101 Hình 4.11 Phân bố chuyển đổi TOx→TOx±1 các nhiệt độ khác nhau 104 Hình 4.12 Thời gian sống trung bình của các đơn vị cấu trúc TOx ở các áp

suất khác nhau

106

Hình 4.13 Phân bố các đơn vị cấu trúc MgOx ở 5 GPa (a); 15 GPa (b) và 25

GPa (c) Vùng màu xanh lá cây là MgO3, vùng màu đen là các đám MgO4, vùng màu đỏ là các đám MgO5, màu xanh da trời là

107

7

đám MgO6; Quả cầu lớn là Mg nhỏ là O

Hình 4.14 Phân bố các đơn vị cấu trúc AlOx ở 6 GPa (a); 11 GPa (b) và 20

GPa (c) Vùng màu đen là các đám AlO4, vùng màu đỏ là các đám AlO5, màu xanh là đám AlO6; Quả cầu lớn là Al nhỏ là O

107

Hình 4.15 Phân bố các đơn vị cấu trúc GeOx ở 4 GPa (a); 13 GPa (b) và 48

GPa (c) Vùng màu đen là các đám GeO4, vùng màu đỏ là các đám GeO5, màu xanh là đám GeO6; Quả cầu lớn là Ge nhỏ là O

109

Hình 4.16 Minh hoạ các đám đơn vị cấu trúc TO4 hình thành nên pha TO4

(a); các đám đơn vị cấu trúc TO5 hình thành nên pha TO5 (b);

các đám đơn vị cấu trúc TO6 hình thành nên pha TO6 (c);

92

Hình 4.17 Thời gian sống trung bình của các đơn vị cấu trúc TOx ở các

nhiệt độ khác nhau

111

Hình 4.18 Phân bố các đơn vị cấu trúc MgOx ở 3400K (a); 4000 K (b) và

5000 K (c) Vùng màu xanh lá cây pha MgO3, vùng màu đen là pha MgO4, vùng màu đỏ là pha MgO5, màu xanh da trời là pha MgO6; Quả cầu lớn là Mg nhỏ là O

111

Hình 4.19 Phân bố các đơn vị cấu trúc AlOx ở 2400 K (a); 3000 K (b) và

4000 K (c) Vùng màu đen là pha AlO4, vùng màu đỏ là pha AlO5, màu xanh là pha AlO6; Quả cầu lớn là Al nhỏ là O

112

Hình 4.20 Phân bố các đơn vị cấu trúc GeOx ở 1500 K (a); 3000 K (b) và

4000 K (c) Vùng màu đen là pha GeO4, vùng màu đỏ là pha GeO5, màu xanh là pha GeO6; Quả cầu lớn là Ge nhỏ là O

112

kể trên nhiều mô phỏng và lý thuyết đã được đưa ra Tuy nhiên, các mô hình lý thuyết như lý thuyết thể tích tự do (Free-volume); lý thuyết Adam-Gibbs; lý thuyết Mode Coupling (MCT); hay mô hình thấm (Percolation model) vẫn chưa thống nhất và còn nhiều tranh cãi Ví dụ, lý thuyết Mode Coupling đã mô tả tốt các khía cạnh của hiện tượng động học xảy ra ở vùng nhiệt độ cao, tuy nhiên ở vùng nhiệt độ thấp thì mô hình không còn phù hợp hay lý thuyết thể tích tự do được Cohen và Turnbull đề xuất dựa trên ý tưởng một nguyên tử chỉ có thể thay đổi nguyên tử lân cận khi có thể tích tự do ở gần nó Theo lý thuyết này, cơ chế khuếch tán của nguyên tử là thông qua thể tích tự do địa phương nhưng nguyên nhân biến mất thể tích tự do tại nhiệt độ thấp dẫn đến hiện tượng suy giảm động học vẫn chưa được làm rõ Nhiều công trình nghiên cứu mô phỏng vi cấu trúc và động học của vật liệu

đã được thực hiện Cụ thể, mô phỏng của V.V Hoàng đã chỉ ra tính không đồng nhất trong Al2O3 bằng hàm tương quan hai điểm và bốn điểm; hay như sử dụng phương pháp trực quan hóa cũng có thể quan sát hiện tượng động học kể trên Tuy nhiên, cơ chế ở mức nguyên tử của các hiện tượng quan sát vẫn chưa được xác định

cụ thể, rõ ràng đòi hỏi cần có những nghiên cứu tiếp theo với cách tiếp cận mới cho các vấn đề nói trên Đây là nội dung nghiên cứu của luận án

Vật liệu ô xít MgO, Al2O3 và GeO2 được biết đến là vật liệu ô xít có cấu trúc mạng được tạo thành từ các đơn vị cấu trúc TOx liên kết với nhau (TOx là có x nguyên tử O liên kết với một nguyên tử T; T là Mg, Al hoặc Ge; x chủ yếu bằng 4,

5, 6) Đây là những vật liệu ô xít đã nhận được sự quan tâm rộng rãi của nhiều nhà nghiên cứu, vì chúng có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, y học, quang học, siêu dẫn, cơ khí, công nghiệp chế tạo máy, đặc biệt trong công nghiệp

vẫn còn nhiều hạn chế

Xuất phát từ những nguyên nhân kể trên, đề tài luận án: “Mô phỏng vi cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong các ô xít MgO, Al 2 O 3 và GeO 2 ở trạng thái lỏng” đã được chọn Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học

phân tử cùng với sự trợ giúp của kỹ thuật trực quan hoá và tiếp cận động học trong các ô xít MgO, Al2O3 và GeO2 theo cơ chế mới – cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc từ TOx→TOx±1 Việc triển khai nghiên cứu đề tài này góp phần cung cấp các thông tin chi tiết ở mức nguyên tử về vi cấu trúc, cơ chế khuếch tán cũng như giải thích nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất trong các ô xít lỏng nêu trên

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là: vi cấu trúc, động học cấu trúc, mối liên hệ giữa cấu trúc và hiện tượng không đồng nhất động học, đặc biệt luận án

sẽ tập trung vào làm sáng tỏ cơ chế khuếch tán trong các vật liệu ô xít có cấu trúc mạng MgO, Al2O3 và GeO2 ở trạng thái lỏng Cụ thể:

1/ Xây dựng các mô hình MgO, Al2O3 và GeO2 chất lượng cao với kích thước

2000 nguyên tử cho hệ MgO, Al2O3; và 1998 nguyên tử cho hệ GeO2 và sử dụng thế tương tác cặp; Nhiệt độ khảo sát từ 3400 ÷ 5000 K và áp suất từ 0 ÷ 25 GPa đối với MgO; 2400 ÷ 4000 K và 0 ÷ 20 GPa đối với Al2O3; 1500 ÷ 4000 K và 0 ÷ 48 GPa đối với GeO2 Khảo sát và làm sáng tỏ các đặc trưng vi cấu trúc của MgO, Al2O3 và GeO2 dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau

2/ Khảo sát các đặc trưng động học, mối liên hệ giữa các đặc trưng cấu trúc và động học bằng phương pháp chuyển đổi các đơn vị cấu trúc từ đó làm sáng tỏ cơ chế khuếch tán ở mức nguyên tử trong MgO, Al2O3 và GeO2 ở trạng thái lỏng và dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau

10

3/ Xây dựng kỹ thuật trực quan hóa dữ liệu động lực học phân tử để khảo sát cấu trúc mạng và sự phân bố của các đơn vị cấu trúc TOx trong mô hình vật liệu Thông qua phương pháp phân tích và trực quan hóa dữ liệu động lực học phân tử làm sáng

tỏ nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất trong các vật liệu cấu trúc mạng (MgO, Al2O3 và GeO2)

3 Phương pháp nghiên cứu

1/ Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử

2/ Phương pháp chuyển đổi các đơn vị cấu trúc

3/ Kỹ thuật trực quan hóa

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1/ Luận án cung cấp thông tin chi tiết về vi cấu trúc của các vật liệu ô xít có cấu trúc mạng MgO, Al2O3 và GeO2 ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau 2/ Tiếp cận động học trong các chất lỏng cấu trúc mạng MgO, Al2O3 và GeO2

thông qua cơ chế mới – cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc TOx→TOx±1 (T là

Mg, Al hoặc Ge) Khi đó, có hai yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán là tốc

độ chuyển đổi của TOx→TOx±1 và trung bình của bình phương độ dịch chuyển của một chuyển đổi TOx→TOx±1 Kết quả tính này được so sánh với cách tính hệ số khuếch tán theo phương pháp thông thường (Phương trình Einstein) đảm bảo độ tin cậy cao đồng thời làm sáng tỏ cơ chế khuếch tán trong các chất lỏng nghiên cứu 3/ Giải thích nguyên nhân gây ra hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất dựa trên công cụ trực quan hóa các dữ liệu động lực học phân tử trong chất lỏng MgO, Al2O3 và GeO2 là do các đơn vị cấu trúc TOx kết cụm

5 Những đóng góp mới của luận án

1/ Luận án lần đầu tiên làm rõ cơ chế khuếch tán trong MgO, Al2O3 và GeO2lỏng là thông qua cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc TOx→TOx±1

2/ Luận án lần đầu tiên chỉ ra rằng sự kết cụm các đơn vị cấu trúc TOx là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất trong chất lỏng cấu trúc mạng MgO, Al2O3 và GeO2 thông qua kỹ thuật trực quan hóa

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia thành 4 chương:

11

Ch ương 1: Tổng quan (Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và

ngoài nước đối với các vật liệu ô xít, cụ thể là MgO, Al2O3 và GeO2, về hiện tượng

đa thù hình và động học không đồng nhất cũng như trình bày tổng quan về các mô hình nguyên tử được nghiên cứu bằng kỹ thuật trực quan hóa)

Ch ương 2: Phương pháp tính toán (Trình bày cách xây dựng mô hình động

lực học phân tử các hệ ô xít MgO, Al2O3 và GeO2 ở trạng thái lỏng Cách xác định các đặc trưng vi cấu trúc, đặc trưng động học và cách trực quan hóa các dữ liệu động lực học phân tử đối với các mô hình đã xây dựng)

Ch ương 3: Vi cấu trúc của MgO, Al 2 O 3 và GeO 2 l ỏng (Trong chương này trình

bày chi tiết về các đặc trưng vi cấu trúc của các mô hình vật liệu xây dựng ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau Đặc biệt trình bày chi tiết đối với hệ MgO

do số công trình Quốc tế về vi cấu trúc của MgO rất ít, ở Việt Nam chưa ai nghiên cứu Các kết quả về vi cấu trúc được so sánh với các kết quả thực nghiệm và mô phỏng trước đây, khẳng định các mô hình xây dựng là đáng tin cậy, là cơ sở nghiên cứu động học tiếp theo)

Ch ương 4: Động học trong MgO, Al 2 O 3 và GeO 2 l ỏng (Trình bày về các đặc

trưng động học, cơ chế khuếch tán và giải thích rõ nguyên nhân của hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất trong các chất lỏng cấu trúc mạng MgO,

Al2O3 và GeO2 thông qua phương pháp chuyển đổi các đơn vị cấu trúc và kỹ thuật trực quan hóa)

Luận án đã tham khảo 137 tài liệu tham khảo

Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trong 07 công trình trên các tạp chí quốc tế, tạp chí trong nước và kỷ yếu hội nghị Trong đó có 04 công

trình được đăng tại tạp chí quốc tế (ISI) gồm: 01 bài tại Applied Physics

Letters,102,191908 (2013); 01 bài tại High Pressure Research: An International

Journal, Vol.32, No.4,(2012), 509–523 ; 1 bài tại Indian Journal Physics 87(9):879–

887 (2013); 1 bài tại Brazilian Journal of Physics, Vol 44, No 1, 45–54 (2014) Trong nước có 03 bài đăng tại tạp chí và kỷ yếu hội nghị bao gồm: 01 bài tại

Journal of Science of HNUE , Mathematical and Physical Sci, tập 57, số 7, trang

124-133, (2012) ; 01 bài tại Journal of Science of HNUE, Natural Sci., Vol 58, No

3, pp 141-148 (2013); 01 bài tại kỷ yếu hội nghị Quốc tế International Conference

on Advanced Materials and Nanotechnologies (ICAMN), Hanoi, Vietnam, 13-14th, Dec (2012)

12

Chương 1 TỔNG QUAN

Các vật liệu ô xít có vai trò quan trọng, đã được nghiên cứu rộng rãi bằng nhiều kỹ thuật khác nhau trong vài thập niên gần đây Các nghiên cứu thực nghiệm

và mô phỏng về tính chất của hệ ô xít một thành phần và nhiều thành phần đã được thực hiện [10, 15, 17, 24, 25, 37, 46, 55, 71, 86, 97, 129] Đối với thực nghiệm, các phương pháp được sử dụng chủ yếu là nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ nơtrôn, phổ Raman, phổ hấp thụ tia X, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Còn đối với phương pháp mô phỏng, việc nghiên cứu sẽ đem lại nhiều kết quả có giá trị giúp so sánh, dự báo các tính chất mới lạ của vật liệu Trong đó có một số lượng lớn công trình nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các hệ ô xít được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng như Động lực học phân tử, Thống kê hồi phục, Monte Carlo và Monte Carlo đảo, Phương pháp mô phỏng trở thành công cụ hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc vi mô cũng như tính chất đặc trưng của vật liệu, góp phần nâng cao và cải thiện đáng kể những hiểu biết về các hệ ô xít Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề đòi hỏi cần tiếp tục nghiên cứu để làm rõ như cơ chế khuếch tán (KT), hiện tượng đa thù hình, động học không đồng nhất cũng như các hiện tượng KT dị thường, chuyển pha lỏng – lỏng trong các hệ ô xít Trong chương này, để có được hiểu biết tổng quát về các nội dung sẽ nghiên cứu chúng tôi sẽ trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các hệ ô xít nghiên cứu MgO, Al2O3, GeO2, các hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất cũng như tổng quan về các mô hình nguyên tử được nghiên cứu bằng kỹ thuật trực quan hóa

1.1 Các hệ ô xít

Các hệ ô xít MgO, Al2O3 và GeO2 là những vật liệu ô xít nhận được sự quan tâm rộng rãi của nhiều nhà nghiên cứu, vì chúng có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, y học, quang học, siêu dẫn, cơ khí, công nghiệp chế tạo máy, đặc biệt trong công nghiệp gốm, men và thủy tinh Hơn nữa, các vật liệu ôxit này được biết đến là vật liệu có cấu trúc mạng được tạo bởi các đơn vị cấu trúc TOx liên

13

kết với nhau Tuy nhiên, các hiểu biết về cấu trúc vi mô cũng như động học trong MgO lỏng còn nhiều hạn chế vì số công trình Quốc tế về MgO rất ít và ở Việt Nam chưa ai làm Đối với hệ Al2O3 và GeO2, các kết quả trong luận án trước đây [65, 81, 82] đã nhận thấy sự tồn tại của 3 loại cấu trúc cơ bản TO4, TO5 và TO6 (với T là Al

và Ge) Nồng độ các đơn vị cấu trúc này thay đổi khi tăng áp suất nén, cụ thể các đơn vị cấu trúc TO4 giảm dần và TO5, TO6 tăng dần Cấu trúc hình học của các đơn

vị cấu trúc này không thay đổi khi nhiệt độ, áp suất thay đổi Các thông số của mô hình như thể tích mô hình, mật độ mô hình, thể tích lỗ trống, thể tích của các domain và hệ số khuếch tán được biểu diễn qua hàm tuyến tính của tỉ phần các đơn

vị cấu trúc Từ đó các đặc trưng như cơ chế khuếch tán, tính đa thù hình, chuyển pha lỏng - lỏng được giải thích dựa trên tỉ phần các ĐVCT, các lỗ trống, phân bố lỗ trống cũng như thể tích của các domain Như vậy, các ĐVCT có vai trò quan trọng quyết định đến động học trong các hệ ô xít kể trên.Tuy nhiên các luận án này chưa nghiên cứu đến hành vi của các ĐVCT, khi nào các ĐVCT này bị phá vỡ, tạo thành lại và phân bố của các ĐVCT này trong không gian như thế nào? Đây là vấn đề có tính thời sự cần được quan tâm nghiên cứu trong MgO, Al2O3 và GeO2 mà các luận

án trước đó chưa làm Tổng quan tình hình nghiên cứu đối với từng hệ cụ thể MgO,

Al2O3 và GeO2 được trình bày tiếp theo sau đây

1.1.1 Hệ ô xít magiê - MgO

Ô xít magiê - MgO là một trong những vật liệu được sử dụng nhiều trong nông nghiệp, công nghiệp hóa chất và xây dựng MgO được sử dụng như là vật liệu chịu lửa trong các lò sản xuất sắt thép, các kim loại màu, thủy tinh hay xi măng MgO còn được sử dụng để chế tạo các hợp kim nhôm - magiê dùng trong sản xuất vỏ đồ hộp, cũng như trong các thành phần cấu trúc của ô tô và máy móc Trong vật liệu gốm, ô xít magiê được sử dụng nhờ hai đặc tính quan trọng là độ giãn nở nhiệt thấp

và khả năng chống rạn men cao Do nhiệt độ nóng chảy cao và ổn định (3125 K), MgO còn là vật liệu quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ cao (gốm thủy tinh quang học trong suốt, thiết bị điện tử học spin, từ trở khổng lồ ) [15, 25, 46, 53, 99], địa vật lý [16, 33, 83, 96, 118, 137] và vật liệu y tế [21, 114] Ở trạng thái rắn, MgO có hai pha cấu trúc đó là pha cấu trúc B1 (NaCl) và pha cấu trúc B2 (CsCl) Ở

14

cấu trúc B1, MgO chịu áp suất cao nhất lên đến 270 GPa Nhiệt độ nóng chảy cuả MgO khoảng 3098 K đến 3250 K và phụ thuộc vào cấu trúc của pha rắn mà từ đó MgO nóng chảy Cho đến nay, pha cấu trúc B2 vẫn chưa được quan sát thấy trong thực nghiệm [2] Tính toán nguyên lí ban đầu cho thấy chuyển pha từ cấu trúc B1 sang pha cấu trúc B2 xảy ra khi áp suất lên đến 500 GPa [137] Thực nghiệm về sự nóng chảy của MgO dưới áp suất cao lên đến 31,5 GPa được thực hiện bởi Zerr và Boehler [136] Kết quả cho thấy nhiệt độ nóng chảy bề mặt của MgO là khoảng

4000 K và nhiệt độ này được xem là thấp hơn giá trị tính được từ mô phỏng động lực học phân tử [132] Góc liên kết O-Mg-O thường lớn hơn góc Mg-O-Mg [66] Modul khối đẳng nhiệt của MgO dưới nhiệt độ và áp suất cao cũng đã được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng Kết quả cho thấy modul khối đẳng nhiệt giảm khi tăng nhiệt độ và tăng khi tăng áp suất So sánh kết quả mô phỏng động lực học phân tử sử dụng thế Stoneham-Sangster và thế Lewis - Catlow cho thấy các kết quả phù hợp tốt với các nghiên cứu dựa trên tính toán ab-initio [130] Đặc trưng cấu trúc

và động học của MgO lỏng dưới áp suất cao được nghiên cứu bằng phương pháp nguyên lí ban đầu [1, 11] Các kết quả cũng cho thấy cấu trúc của MgO lỏng là khá nhạy với áp suất nén, độ cao đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm thành phần giảm và độ rộng tăng khi áp suất tăng Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm cặp Mg-O dịch chuyển có hệ thống về bên trái khi tăng áp suất Hàm phân bố xuyên tâm cặp Mg-Mg và O-O về cơ bản là giống nhau Số phối trí tăng khi tăng áp suất Số phối trí trung bình của Mg-O được tính toán là khoảng 4.5 tại áp suất 0 và gần 6 tại áp suất cao Số phối trí Mg-O vượt quá 7 khi áp suất lên đến trên 150 GPa

Hệ sộ khuếch tán của các nguyên tử Mg và O trong chất lỏng MgO tăng theo nhiệt

độ, giảm theo áp suất và tuân theo quy luật Arrehnius Hệ số khuếch tán của các nguyên tử trong chất lỏng MgSiO3 cũng cho kết quả tương tự [90] Ở cùng một áp suất, không giống với liên kết Si-O, thời gian sống của liên kết Mg-O hầu như tăng không đáng kể từ 300 đến 400 fs Thời gian sống của O tự do và O không tham gia liên kết cầu tại áp suất thấp là 1500 fs tại 3000 K Nó giảm xuống còn 500 fs khi áp suất tăng lên Thời gian sống của O liên kết cầu là không thay đổi Động học không đồng nhất không gian và mối liên hệ giữa động học và cơ chế khuếch tán trong chất lỏng SiO2 và các polyme thủy tinh đã được nghiên cứu trong công trình [9, 75, 127],

15

kết quả cũng dự đoán rằng hiện tượng động học không đồng nhất cũng xảy ra với các chất lỏng yếu (non-strong hoặc fragile liquids) và MgO thuộc loại chất lỏng này Tuy nhiên, theo sự hiểu biết của chúng tôi thì chưa có công trình nào làm sáng

tỏ hiện tượng không đồng nhất trong chất lỏng MgO

1.1.2 Hệ ô xít nhôm – Al 2 O 3

Ô xít nhôm - Al2O3 là một trong số những vật liệu gốm quan trọng có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ Nó còn được biết đến với tên gọi alumina trong cộng đồng các ngành khai khoáng, gốm sứ và khoa học vật liệu Ô xít nhôm là lớp bảo vệ cho nhôm kim loại chống lại tác động ăn mòn của không khí Ô xít nhôm

là một chất cách nhiệt và cách điện tốt Ở dạng tinh thể, nó được gọi là corunđum và

có độ cứng cao vì vậy nó thích hợp để sử dụng làm vật liệu mài mòn Corunđum thường được sử dụng như là một trong những thành phần quan trọng của các thiết bị cắt Trong vật liệu gốm, ô xít nhôm là một thành phần của vật liệu gốm alumina thuộc nhóm lưỡng tính Chất này có thể nằm trong các nguồn như cao lanh, đất sét, fenspat, alumina vôi hóa, alumina ngậm nước Do alumina có nhiệt độ nóng chảy cao (2327 K), vật liệu gốm sứ alumina vẫn giữ được 90% độ bền ở 1100°C và được dùng để chế tạo các chi tiết cần có tính chịu nhiệt Vật liệu gốm sứ alumina nung có thể cứng hơn cacbua vonfram và có tính chống mài mòn rất tốt do đó được dùng để chế tạo các chi tiết nghiền, dụng cụ dao cắt, ổ bạc làm việc ở nhiệt độ cao và rất nhiều chi tiết cơ khí khác Alumina là yếu tố chính làm tăng độ bền cho men vì alumina giúp hình thành những mối liên kết chặt giữa ôxít trợ chảy và silica, giữ không cho men chảy loãng và chảy khỏi bề mặt phủ men Các ứng dụng của vật liệu ôxít nhôm trải rộng trên nhiều lĩnh vực từ điện tử, quang học, y sinh và cơ khí cho đến vật liệu xúc tác Ôxít nhôm ở trạng thái lỏng được quan tâm đặc biệt trên cả hai phương diện thực nghiệm và lý thuyết Hiểu biết về các tính chất của nó ở trạng thái này rất cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp trong lĩnh vực xử lý vật liệu Ví dụ như phản ứng thiêu kết để tạo ra các loại gốm mới Cũng giống như đối với ôxít nhôm ở trạng thái lỏng, cấu trúc và tính chất của ôxít nhôm ở trạng thái rắn cũng được nghiên cứu rất nhiều bằng cả hai phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Tuy nhiên, cấu trúc và tính chất của nó ở trạng thái lỏng hầu như chỉ được nghiên cứu

là bốn Nghiên cứu chuyển pha lỏng-lỏng của Al2O3 trong công trình [129] cho thấy

có sự chuyển pha lỏng-lỏng từ cấu trúc mạng tứ diện sang cấu trúc mạng bát diện trong khoảng mật độ từ 3,75 đến 4,20 g/cm3 Kết quả mô phỏng trong công trình [37] của Gonzalo Gutiérrez và các cộng sự cho thấy, hơn 60% các nguyên tử nhôm thuộc về các tứ diện AlO4 Điều này cho thấy, mỗi nguyên tử nhôm được bao quanh bởi 4 nguyên tử ôxy và mỗi nguyên tử ôxy liên kết với hai nguyên tử nhôm Số phối trí Al-Al là 8 và số phối trí O-O là 9 Có khoảng 35% số nguyên tử O có số phối trí

là 2, tức là các nguyên tử ôxy chỉ kết nối giữa hai tứ diện và các kết nối này có thể

là chung đỉnh, chung cạnh hoặc chung mặt Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, vẫn có các nguyên tử ôxy kết nối với bốn tứ diện nhưng chiếm số lượng rất nhỏ (ít hơn 8%) Kết quả mô phỏng này của Gonzalo Gutiérrez và các cộng sự phù hợp với kết quả mô phỏng đã công bố trong công trình của San Miguel và các sự [71] Hơn nữa, các kết quả mô phỏng trên hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm của Ansell và các cộng sự trong công trình [117] ngoại trừ vị trí của cực đại thứ 2 trong HPBXT Nhiều năm trở lại đây, vấn đề động học trong chất lỏng cấu trúc mạng (GeO2, SiO2, Al2O3, B2O3, MgO, MgO-SiO2, SiO2-Al2O3…) đã nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học Cụ thể, tập trung vào các nội dung như động học không đồng nhất, suy giảm động học ở gần nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, sự dị thường trong khuếch tán, và tính đa thù hình trong cấu trúc vật liệu Tuy nhiên nhiều khía cạnh của động học trong chất lỏng Al2O3 cũng như các chất lỏng cấu trúc mạng nói chung vẫn chưa được hiểu rõ, đòi hỏi những nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo

1.1.3 Hệ ô xít giécmani – GeO 2

Ô xít giécmani - GeO2 đã được nghiên cứu rộng rãi bằng cả lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng vì có những ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau như vật lý, vật liệu và địa chất Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ

17

ô xít GeO2 có rất nhiều đặc trưng cấu trúc và tính chất tương tự như SiO2 Về cấu trúc, kết quả cho thấy khoảng cách tương tác giữa các nguyên tử trong GeO2 khá giống với SiO2, cấu trúc mạng của hai vật liệu này đều bao gồm các tứ diện kết nối với nhau thông qua các nguyên tử ôxy ở đỉnh của tứ diện (cầu ôxy) [17] Tuy nhiên cũng có một số điểm khác nhau về cấu trúc mạng của hai vật liệu này Cấu trúc mạng của thuỷ tinh GeO2 có góc liên kết Ge-O-Ge trung bình nhỏ hơn và tỷ lệ cấu trúc vòng gồm ba tứ diện kết nối với nhau cao hơn so với SiO2 [24] Hơn nữa cũng

có sự khác nhau về cấu trúc mạng trong khoảng trung (intermediate-range structure), thuỷ tinh GeO2 bao gồm các vòng gồm bốn tứ diện liên kết với nhau chứ không phải là các vòng gồm sáu tứ diện liên kết với nhau như trong SiO2 Về tính chất, ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới các tính chất đặc trưng của tinh thể GeO2 ở tất cả các dạng thù hình tương tự như đối với SiO2 [10, 97] Tuy nhiên, chúng cũng có một số đặc trưng khác nhau [55], đó là sự chuyển pha cấu trúc dưới tác động của áp suất, thuỷ tinh GeO2 chuyển từ cấu trúc mà Ge có số phối trí bốn sang cấu trúc Ge có số phối trí sáu thông qua số phối trí năm ở vùng áp suất thấp hơn nhiều so với thuỷ tinh SiO2 Nguyên nhân của hiện tượng này là do tứ diện GeO4 lớn hơn (so với tứ diện SiO4) sẽ bị méo nhiều hơn do sự thay đổi lớn hơn của góc liên kết O-Ge-O [80] Dựa trên hiện tượng này mà người ta dùng GeO2 như một vật liệu tương tự SiO2 trong các nghiên cứu ở áp suất cao vì khoảng áp suất đòi hỏi khi nghiên cứu trên GeO2 dễ thực hiện hơn nhiều so với khi nghiên cứu trên SiO2 Trong trạng thái lỏng, GeO2 duy trì cấu trúc mà Ge có số phối trí bốn tới nhiệt độ cao nhưng phân bố góc liên kết Ge-O-Ge rộng ra mặc dù nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng trong khi tứ diện GeO4 bị méo thì góc liên kết Ge-O-Ge duy trì tương tự như trong GeO2 ở dạng thù hình có cấu trúc giống quazt Võ Văn Hoàng và các cộng sự

đã mô phỏng GeO2 lỏng trong khoảng mật độ từ 3,65 đến 6,55 g/cm3, ở nhiệt độ

4000 và 5000 K Hệ số tự khuếch tán của cả Ge và O tăng theo mật độ và đạt cực đại ở mật độ 4,95 g/cm3 Xuất hiện hiện tượng dị thường này là do sự cạnh tranh giữa hiệu ứng phá vỡ cấu trúc tứ diện (dẫn tới làm tăng độ linh động của các nguyên tử) và hiệu ứng xếp chặt do sự nén (dẫn tới làm giảm độ linh động) Báo cáo về kết quả mô phỏng GeO2 ở trạng thái lỏng và VĐH trong các công trình [77] cho thấy ở trạng thái lỏng (6000 K), khoảng cách liên kết Ge-O, Ge-Ge và O-O tương ứng là

18

1,68 Å, 3,20 Å và 2,72 Å; Số phối trí của Ge là 4,76 Báo cáo trong các công trình [31, 72, 115, 121] cho kết quả tương tự [77], các kết quả này khá phù hợp với giá trị thực nghiệm [17, 24] Ở trạng thái VĐH, khoảng cách liên kết trung bình Ge-O, Ge-

Ge và O-O trong GeO2 VĐH ở 300 K tương ứng là (1,72 ± 0,02) Å, (3,32 ±0,04) Å

và (2,81± 0,02) Å Giá trị thực nghiệm của khoảng cách liên kết trung bình trong GeO2 VĐH tương ứng là (1,73 ± 0,03) Å, (3,16 ± 0,03) Å và (2,83 ± 0.05) Å Số phối trí của Ge là 4 (cấu trúc tứ diện, bốn nguyên tử O ở bốn đỉnh của tứ diện, Ge ở tâm của tứ diện) Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu tập trung vào làm sáng tỏ tính đa thù hình và động học không đồng nhất trong các chất lỏng cấu trúc mạng (chẳng hạn như ) GeO2, SiO2, Al2O3, B2O3, MgO-SiO2, SiO2-Al2O3…) [47,

58, 67, 87, 105, 124] Đa thù hình trong các chất lỏng hình thành pha thủy tinh dưới

áp suất nén đã được nghiên cứu trong thời gian dài Nó cho thấy rằng dưới áp suất nén chất lỏng GeO2 (SiO2, Al2O3, Al2O3-SiO2…) trải qua quá trình chuyển từ cấu trúc mạng tứ diện sang cấu trúc mạng bát diện Ở áp suất dưới 5 GPa, cấu trúc của chất lỏng GeO2 chủ yếu gồm các tứ diện GeO4 Ở áp suất trên 25 GPa cấu trúc của

nó chủ yếu gồm các bát diện GeO6 [12, 19, 28, 48, 56, 59, 68] Nghiên cứu không đồng nhất động học có một vai trò quan trọng cho sự hiểu biết về các tính chất chuyển động và động học của các phản ứng hóa học trong chất lỏng cấu trúc mạng Mặc dù đa thù hình và động học không đồng nhất trong các chất lỏng cấu trúc mạng

đã được nghiên cứu trong thời gian dài, tuy nhiên đa số các nghiên cứu này tập trung vào các loại vật liệu polyme, thủy tinh kim loại cũng như silica và thủy tinh silicat Chỉ có một số ít công trình có nghiên cứu về các hành vi động học trong GeO2 [91, 125] Hơn nữa, động học cấu trúc, cơ chế khuếch tán và động học không đồng nhất cũng như nguồn gốc của đa thù hình và động học không đồng nhất trong chất lỏng GeO2 vẫn chưa được làm sáng tỏ

1.2 Hiện tượng đa thù hình và động học không đồng nhất

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô phỏng cho thấy các ô xít ở trạng thái lỏng có biểu hiện tính đa thù hình và không đồng nhất động học Đây là những tính chất đã được phân tích và lý giải trong gần hai thập

19

niên gần đây Tổng quan về hai hiện tượng này được trình bày trong các mục dưới đây

1.2.1 Hiện tượng động học không đồng nhất

Sự không đồng nhất về cấu trúc và động học trong vật liệu có vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ các tính chất liên quan đến chuyển động của nguyên tử và động lực học của các phản ứng hoá học [76] Vì vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào để làm sáng tỏ các hiện tượng động học không đồng nhất [40-42, 69, 76,

79, 105, 107, 108, 110, 123, 133] Hiện tượng động học không đồng nhất là hiện tượng tồn tại các vùng nguyên tử chuyển động nhanh hơn hay chậm hơn so với những vùng nguyên tử khác Các vùng nhanh hay chậm này thay đổi theo thời gian

và phân bố không đồng đều trong không gian [40, 50, 69] (minh họa hình 1.1) Đối với các chất lỏng nói chung, động học không đồng nhất không gian được nghiên cứu bởi cả hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, nhưng trong trường hợp các chất lỏng có dạng cấu trúc thủy tinh thì nghiên cứu thực nghiệm là rất khó thực hiện

do nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cao Trên cơ sở các thực nghiệm cộng hưởng từ hạt nhân, Sabyasachi Sen đã khẳng định sự không đồng nhất động học trong potassium- silicate lỏng Ông ta cũng chỉ ra rằng thời gian hồi phục ở các vị trí của nguyên tử ôxy không tham gia liên kết cầu rất ngắn so với các nguyên tử ôxy (tham gia liên kết cầu) trong mạng thuỷ tinh lớn và đây là nguồn gốc của sự không đồng nhất động học [111] Sự kết cụm của các nguyên tử linh động trong các dung dịch huyền phù đã dược Weeks và các cộng sự khẳng định thông qua các thực nghiệm sử dụng kính hiển vi đồng tiêu ba chiều [29] Nhiều lý thuyết đã được đưa ra để giải

thích động học trong chất lỏng cấu trúc mạng như: 1/ Lý thuyết mode coupling

(MCT) [113, 130] mô tả nhiều vấn đề động học ở nhiệt độ cao Ý tưởng của lý thuyết này bắt đầu từ sự lựa chọn chuyển động về mặt vật lý rằng những vị trí của các hạt là các biến thay đổi rất chậm theo thời gian trong các hệ hình thành pha thủy tinh Xét sự phân bố của N hạt trong không gian ứng với các vị tri là r
α, =α 1 , 2 , N

có có thể được mô tả dưới dạng sự dao động mật độ của vectơ hàm sóng

20

bằng là thừa số cấu trúc S q = ρq
2 /N Trong các hệ cổ điển, tất cả các hàm cấu trúc được xác định bởi tỉ số giữa thế năng và năng lượng nhiệt; chúng không phụ thuộc vào các thông số quán tính ví dụ như khối lượng của hạt

Hình 1.1 Minh họa các vùng động học không đồng nhất [69]

Hình 1.2 Minh họa hàm tương quan MCT [130]

21

Hàm tương quan mật độ φq( )t là hàm đơn giản nhất được sử dụng để khảo sát động học cấu trúc, với φq( )t = ρq
( )t *ρq
/ ρq
2 có thể đo được bằng phổ photon Những hàm tương quan của biến A là φA( )t = A( )t *A là những hàm xác định dương

Phổ mật độ có thể được đặc trưng bởi tần suất trung bình Ωq =υq/ S q với υ là vận tốc nhiệt Hình thức luận Zwanzig-Mori là phương pháp lý thuyết cho phép đưa ra phương trình chuyển động chính xác đối với một hàm không gian pha tùy ý của hệ

cơ học thống kê Sử dụng sự dao động mật độ biến đổi chậm, phương pháp Zwanzig-Mori có thể sử dụng để thu được phương trình chuyển động của Sq có dạng sau:

( ) ( ) ( ') ( )' ' 0

0

2 2

=

−Ω

+Ω

t q q

( )t M ( )t m ( )t

Hàm này khá phức tạp nên phương pháp gần đúng MCT cho phép biểu diễn hàm nhớ M q (t) như là một tích của các hàm tương quan với các hệ số có thể tính toán được từ các đại lượng thống kê:

22

( )t d q V(q q) ( ) ( )t t

M q =∫ 3 ' , 'φq' φq (1.4) Các đỉnh V(q,q’) được tính thông qua thừa số cấu trúc S(q) Bằng việc xây dựng phương

trình dao động dựa trên phương pháp Zwanzig-Mori, đỉnh V(q,q’) chỉ phụ thuộc vào

các đại lượng tĩnh chẳng hạn như mật độ, thừa số cấu trúc, hàm tương quan ba điểm…từ đó biết được động học của hệ Nếu đồ thị hàm S(q) có nhiều đỉnh thì

V(q,q’) tăng lên nghĩa là hàm nhớ tăng lên khi mật độ tăng hoặc khi nhiệt độ giảm

Vì các hàm nhớ có thể được tính toán từ các tương quan và các đại lượng tĩnh, dạng các phương trình trên gần với hệ phương trình phụ thuộc thời gian của hàm tương quan Những phương trình (1.1) đến (1.4) gọi là phương trình Mode-coupling, và chúng được xem như là điểm khởi đầu của lý thuyết mode-coupling về hiện tượng chuyển pha thủy tinh Xem xét tính nghiệm φq( )t =φ( )q,t của phương trình cơ bản MCT (1.1) đối với hệ đơn giản là hệ gồm những quả cầu cứng thì các đường cong của hàm tương quan mật độ phụ thuộc vào thời gian cũng giống như các đường cong đã tìm thấy trong thực nghiệm (hình 1.2) Theo lý thuyết, tồn tại một nhiệt độ

tới hạn T C (critical temperature or packing fraction) (dự đoán là nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg) mà tại đó thời gian hồi phục tăng lên rất nhanh Càng gần nhiệt độ TC,

sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thời gian hồi phục tuân theo quy luật hàm số mũ:

trở thành thủy tinh là cao hơn nhiệt độ thực nghiệm Tg 2/ Lý thuyết Adam-Gibbs

[34,130] cho thấy hiện tượng chuyển pha thủy tinh là kết quả từ sự tăng các đặc tính động lực học phân tử khi vật liệu được làm nguội nhanh Ý tưởng của lý thuyết Adam-Gibbs là trong chất lỏng hình thành thủy tinh động học hồi phục tại nhiệt độ thấp là kết quả của một chuỗi các sự kiện riêng lẻ trong đó các vùng nhỏ của hệ hồi phục tới cấu trúc mới Sự hồi phục này được cho là do sự thăng giáng của enthalpy

đã cho phép các hạt trong các vùng nhỏ tạo ra chuyển động tập thể Do đó những

23

vùng nhỏ này được gọi là những vùng được xắp sếp lại một cách tập thể cooperatively rearranging regions) (minh họa hình 1.3) Adam và Gibbs đã giả sử rằng động học hồi phục của những vùng nhỏ này là độc lập với nhau và do đó có thể mô tả mỗi vùng như là một hệ nhiều hạt độc lập tuân theo quy luật của cơ học thống kê Số hạt trong mỗi vùng là đủ lớn Theo lý thuyết này, nếu xét hệ gồm N hạt và giả sử rằng hệ này được tách ra thành các CRR có kích thước z* Khi đó số vùng CRRs là n(z*,T)=N/z* Gọi Sconf là entropy của cả hệ thì sconf =Sconf/n(z*,T) là entropy của CRR với s conf ≤k Bln 2 Xác suất trung bình xuất hiện CRR là:

z A

Với ∆µlà năng lượng tự do cần thiết để hạt dịch chuyển

Khi đó biểu thức Adam-Gibb cho biết thời gian hồi phục τ(T) hoặc độ nhớt η(T) tỉ

lệ nghịch với xác suất trung bình xuất hiện CRR :

Sự phụ thuộc này thu được từ việc tích phân hàm nhiệt động:

dT T

K conf

11

CT TS

C

24

Hình 1.3 Minh họa vùng CRR [130]

Hình 1.4 Minh họa thể tích tự do (vùng màu trắng là V f ) [130]

B T

Theo Adam-Gibbs, nhiệt độ Vogel T0 là nhiệt độ tại đó mà thời gian hồi phục bị phân kì ứng với nhiệt độ Kauzaman TK mà tại đó entropy cấu hình biến mất Như vậy, lý thuyết Adam-Gibbs đã thiết lập mối liên hệ giữa động học hồi phục và nhiệt động học, phù hợp với định luật Vogel-Fulcher Lý thuyết đã thành công trong nghiên cứu một số hệ thủy tinh, tuy nhiên vẫn có những tranh cãi cho đến nay khi nghiên cứu một số hệ thủy tinh khác cho giá trị của TK vẫn cao hơn T0 3/Lý thuyết

th ể tích tự do [22, 130] khác với ý tưởng ban đầu của lý thuyết Adam-Gibbs là các

hạt ở nhiệt độ thấp có xu hướng khuếch tán thông qua cơ chế chuyển động tập thể

Lý thuyết thể tích tự do xuất phát từ ý tưởng rằng hạt chỉ có thể chuyển động nếu hạt đó có không gian để làm như vậy, không gian đó gọi là thể tích tự do “Free volume” Vf Ý tưởng này được giải thích đúng đắn khi ta xem xét hệ là những quả cầu cứng như hình 1.4 Xét hai loại hạt A và B Kí hiệu vùng màu trắng trên hình vẽ

là vùng thể tích có thể sử dụng được của hai loại hạt này Đối với hạt A, hạt này bị hạn chế bởi các hạt lân cận của nó do đó nó không thể rời khỏi vị trí đó, tức hạt A bị giam giữ và không chuyển động hồi phục được Ngược lại, không gian mà hạt B có thể sử dụng là cả một vùng trong đó hạt đã thay đổi môi trường địa phương tức là hạt đã trải qua các chuyển động hồi phục Lý thuyết thể tích tự do đưa ra mối liên quan giữa kích thước của những vùng cho phép đó (thể tích tự do) với tính khuếch tán của các hạt dẫn đến động học hồi phục của hệ Thể tích tự do trung bình của hệ được xác định như sau:

Trong đó V là thể tích trung bình của một hạt trong hệ và V0 là thể tích của một hạt đang xét chính là thể tích của quả cầu cứng đang xét Theo cơ học thống kê thì dễ dàng tính được hàm phân bố thể tích tự do địa phương V’:

(T T0)

V f =α − (1.14)

với α là hệ số nở nhiệt Công thức này cùng phù hợp với định luật Vogel-Fulcher

Hệ số khuếch tán tỉ lệ nghịch với thời gian hồi phục hoặc độ nhớt : D∝τ− 1 ∝η− 1 Tuy nhiên khái niệm về thể tích tự do vẫn chưa được định nghĩa rõ ràng và sự phụ thuộc vào áp suất của độ nhớt cũng chưa được nói đến Bên cạnh đó lí do biến mất của thể tích tự do tại nhiệt độ khác không cũng chưa được làm sáng tỏ

Mô phỏng ở mức nguyên tử là một công cụ hữu hiệu để làm sáng tỏ bản chất của hiện tượng không đồng nhất động học trong các chất lỏng có cấu trúc mạng Sharon C Glotzer đã chỉ ra rằng cụm các nguyên tử linh động có thể tăng lên hoặc giảm đi theo thời gian và kích thước của các cụm này sẽ tăng khi nhiệt độ giảm [105] Dùng mô phỏng động lực học phân tử [7], Widmer-Cooper và các cộng sự đã chỉ ra rằng môi trường địa phương khác nhau sẽ dẫn đến sự hình thành các vùng linh động và không linh động trong mô hình và đó là nguồn gốc cấu trúc của sự không đồng nhất động học Mối liên hệ giữa môi trường địa phương (cấu trúc địa phương) và sự không đồng nhất động học đã được chỉ ra trong vật liệu calcium-

27

aluminosilicate lỏng và các ôxít giàu Si [60, 110] K Deenamma Vargheese và các

cộng sự đã phát hiện ra một sự liên hệ (tương quan) rất rõ ràng giữa sự không đồng nhất động học và sự thăng giáng nồng độ Các vùng với xu hướng có độ linh động cao thì có nồng độ canxi và nhôm cao hơn, trong khi đó các vùng có xu hướng không linh động thì giàu silíc [60] Mô phỏng động học không đồng nhất trong

Al2O3 trong [129] cho thấy, vùng linh động trong Al2O3 là vùng mà nguyên tử trong

đó có động năng lớn nên có độ dài bình phương dịch chuyển lớn, ngược lại vùng

mà nguyên tử có động năng nhỏ nên độ dài bình phương dịch chuyển nhỏ là vùng không linh động Tuy nhiên, các kết quả này không xét đến trường hợp có những nguyên tử có động năng lớn, chuyển động ra rất xa sau đó quay trở lại, dẫn đến độ dịch chuyển bình phương trung bình bằng 0, khi đó khuếch tán không xảy ra, nguyên tử không linh động và không thể hình thành nên vùng linh động Trong mô phỏng [3, 70] sử dụng hàm tương quan hai điểm và bốn điểm đã phát hiện ra hiện tượng không đồng nhất Tuy nhiên hàm tương quan này không trực tiếp phát hiện ra tính không đồng nhất và dường như không nêu ra được mối tương quan, nguyên nhân để dẫn đến vùng nhanh và vùng chậm Trong một công trình rất gần đây [110], các tác giả đã chỉ ra rằng trong các ôxít giàu silíc, tính chất động học của nguyên tử

Si ở các vị trí có môi trường địa phương khác nhau là khác nhau do hiệu ứng

“oxygen slowing-down” Mặc dù cấu trúc và động học không đồng nhất trong các chất lỏng hình thành cấu trúc mạng đã được nghiên cứu trong một thời gian dài, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào các mô hình chất lỏng hai nguyên sử dụng thế Lennard-Jones, các mô hình hai chiều, các dung dịch huyền phù và các vật liệu polymer, rất ít nghiên cứu được thực hiện trên các hệ SiO2, GeO2, Al2O3, SiO2-

Al2O3, MgO, GeO2’ TiO2, SiO2-Li2O, SiO2-Na2O… ở trạng thái lỏng (nhóm vật liệu điển hình có cấu trúc mạng ngẫu nhiên liên tục) Cho đến nay, các đặc trưng cấu trúc, tính đa thù hình và nguồn gốc của hiện tượng động học không đồng nhất trong các vật liệu này vẫn chưa được hiểu rõ đặc biệt ở mức độ nguyên tử Điều này cho thấy cần những nghiên cứu hệ thống với cách tiếp cận khác đề làm sáng tỏ vấn đề nói trên

28

Hình 1.5 Sự chuyển dạng cấu trúc từ đa diện GeO 4 sang đa diện

GeO 5 d ưới áp suất nén 6 GPa [73].

Hình 1.6 Hình ảnh mô phỏng động lực học phân tử pha mật độ thấp (trái) và

pha m ật độ cao (phải) tồn tại trong nước đá vô định hình [88]

29

1.2.2 Hiện tượng đa thù hình

Đa thù hình là sự xuất hiện hai hay nhiều cấu trúc mạng khác nhau trong cùng một loại vật liệu (cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học) ở cùng một trạng thái Các dạng thù hình khác nhau có cùng thành phần hoá học nhưng do có cấu tạo khác nhau nên có các tính chất khác nhau, nhất là các tính chất vật lí dẫn đến thể hiện nhiều tính chất đặc biệt của vật liệu Ví dụ điển hình là tinh thể kim cương trong suốt, rất cứng, cách điện và cách nhiệt, trong khi đó tinh thể than chì có màu đen xám, mềm, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt [23, 30, 54, 57, 116] Dưới tác động của nhiệt độ hoặc áp lực nén, nó có thể chuyển từ thù hình này sang thù hình khác (chuyển từ trạng thái mất trật tự này sang trang thái mất trật tự khác) Ví dụ như hình 1.5 là quá trình chuyển thù hình dưới áp suất nén 6 GPa từ cấu trúc đa diện GeO4 sang đa diện GeO5 trong GeO2 vô định hình [73] Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu về cấu trúc vi mô và cơ chế khuếch tán trong các vật liệu mất trật

tự đã cho thấy rằng một số vật liệu này thể hiện tính đa thù hình tương tự như trong vật liệu tinh thể Đa thù hình được nhận biết đầu tiên trong hệ H2O Khi bị nén ở nhiệt độ 77 K, nước đá vô định hình chuyển từ trạng thái mật độ thấp sang trạng thái mật độ cao ở áp suất 0.60±0.05 GPa [88] như hình 1.6 Theo chủ đề nghiên cứu này, đã có nhiều hệ như P, Si, GeO2, SiO2, Al2O3, B2O3, TiO2, Y2O3-Al2O3… được nghiên cứu và thể hiện đa thu hình như là hàm của áp suất hoặc nhiệt độ [6, 14, 63,

103, 126, 129, 134] Đối với photpho lỏng, sự chuyển pha từ chất lỏng mật độ thấp (chất lỏng bao gồm phân tử photpho tứ diện ở áp suất thấp) sang chất lỏng mật độ cao (chất lỏng polymer ở áp suất cao ) ở 1 GPa được xác nhận bằng thực nghiệm nhiễu xạ tia X [134].Đa thù hình trong các chất lỏng cấu trúc mạng điển hình như SiO2, GeO2, Al2O3 dưới áp suất nén được nghiên cứu rộng rãi trong một thời gian dài Kết quả cho thấy dưới tác động của áp suất nén, những chất lỏng này trải qua quá trình chuyển đổi từ cấu trúc mạng tứ diện (TO4) sang bát diện (TO6) Ở áp suất không, cấu trúc của chúng chủ yếu là các tứ diện TO4. Dưới áp suất nén, cấu trúc của chúng bao gồm các đa diện TOx (x=4, 5, 6) Ở áp suất trên 15 GPa, cấu trúc của

chúng chủ yếu là các đa diện TO5 và TO6 [36, 51, 62, 81, 82, 93, 103, 129]

30

Đối với SiO2 và GeO2 vô định hình, sự chuyển dần từ cấu trúc mạng tứ diện sang bát diện dưới áp suất nén đã được quan sát bằng thực nghiệm [14, 82, 95, 132] Vì đơn vị cấu trúc TO5 rất không bền so với các đơn vị cấu trúc TO4 và TO6, cùng với

sự tồn tại đồng thời của các đơn vị cấu trúc TO4, TO5 và TO6 nên tính chất của các chất lỏng cấu trúc mạng phụ thuộc vào cả tỉ lệ và phân bố không gian của các đơn

vị cấu trúc TOx Như vậy, đa thù hình có thể là do các đơn vị cấu trúc TOx phân bố không đồng đều trong không gian và có xu hướng kết cụm lại với nhau dẫn đến không đồng nhất về mặt cấu trúc và động học Đa thù hình đã được chứng minh chủ yếu bằng việc tính toán mật độ cho thấy tồn tại đồng thời pha mật độ thấp và mật độ cao trong mô hình…nhưng chưa có một nghiên cứu nào về phân bố không gian của các đơn vị cấu trúc TOx [51, 93] cho thấy xu hướng kết cụm lại với nhau của các

TOx dẫn đến không đồng nhất về mặt cấu trúc và động học Đây là một trong những hướng nghiên cứu của luận án

1.3 Tổng quan về các mô hình nguyên tử được nghiên cứu bằng

kỹ thuật trực quan hóa

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, máy tính

có khả năng tính toán và lưu trữ một khối lượng lớn các kết quả nghiên cứu Việc thu thập thông tin không còn là vấn đề khó khăn Tuy nhiên dữ liệu thu thập được đôi khi quá nhiều khiến các nhà nghiên cứu khó có thể quan sát theo dõi được hết các con số hoặc toàn bộ các kết quả cung cấp dưới dạng văn bản hay bảng biểu vì vậy việc hiểu ý nghĩa đầy đủ của các thông tin thu thập là không hề đơn giản Kỹ thuật trực quan hóa ra đời giải quyết ít nhiều vấn đề này, có vai trò kết nối trực giác của con người với máy tính, giúp có cái nhìn thấu đáo hơn về các thông tin thu thập [18, 26, 52, 84, 89, 112, 119] Sử dụng kỹ thuật trực quan giúp lấy ra các thông tin

có giá trị từ tập hợp lớn các dữ liệu thu thập được, truyền đạt các ý tưởng, trình bày các thông tin ẩn chứa trong dữ liệu và khai thác khối lượng lớn các dữ liệu từ các giả thuyết đưa ra dưới dạng hình ảnh, giúp trình bày vấn đề khoa học một cách rõ ràng dễ hiểu Nó cũng là phương pháp tận dụng các phương pháp khoa học đã tồn tại đồng thời cung cấp cái nhìn khoa học mới đầy đủ thông qua khả năng trực quan hình ảnh [18, 26, 52, 84, 89, 112, 119] Có nhiều cách để phân loại kỹ thuật trực

31

quan Tuy nhiên, thường thấy trực quan hóa được phân ra hai loại cơ bản là trực quan khoa học (scientific visualization) và trực quan thông tin (information visualization) [26] Trong đó, trực quan khoa học là phương pháp liên quan đến trực quan hóa các dữ liệu vật lý, dữ liệu khoa học và kỹ thuật (Visualization of physical data) Trực quan khoa học nghiên cứu và biểu diễn các dữ liệu khoa học dưới dạng hình ảnh trực quan, chuyển đổi các biểu tượng thành dạng hình học, đồ họa tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu quan sát mô phỏng và tính toán Nó làm phong phú thêm các khám phá khoa học và thúc đẩy con người có hiểu biết sâu sắc hơn [18,

84, 85] Trực quan khoa học được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như địa vật lý, toán học ứng dụng, vũ trụ, hóa sinh, hoặc nghiên cứu y sinh Ví dụ trong công trình [18] các nhà nghiên cứu địa vật lý có thể trực quan các tầng ô zôn trên trái đất hình 1.7 Trực quan thông tin là phương pháp liên quan đến trực quan hóa các dữ liệu phi vật lý như dữ liệu về kinh tế, các dữ liệu trừu tượng (Visualization of abstract data) Nó biểu diễn các dữ liệu trừu tượng, phi vật lý dưới

sự tương tác, hỗ trợ của máy tính để tăng khả năng nhận thức hiểu biết của con người [52, 61, 89, 106, 119] Ví dụ về trực quan thông tin cho bởi hình 1.8 trong [61] Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính đã thúc đẩy khoa học tính toán và khoa học trực quan Trực quan khoa học là công cụ hữu hiệu để hiệu chỉnh,

gỡ lỗi hoặc giải thích các kết quả mô phỏng máy tính với quy mô lớn Dễ dàng thực hiện phân tích tập hợp lớn các dữ liệu và biểu diễn kết quả mô phỏng dưới dạng trực quan hình ảnh với các kỹ thuật biểu diễn như biểu diễn trực quan trong không gian 1D, 2D và 3D, dưới dạng các đường đồng mức, biểu diễn trực quan thông qua màu sắc, dưới dạng các khối hình học, dưới dạng các véc tơ – các véc tơ biểu diễn dưới dạng mũi tên dùng trong biểu diễn vận tốc dòng chảy hay hướng chuyển động của các hạt Hay trực quan dưới dạng các ảnh động, thực tế ảo (thí nghiệm ảo)…Trực quan hóa mô hình vật liệu ở mức nguyên tử là kĩ thuật cho phép quan sát cấu trúc vi mô (sự sắp xếp của các nguyên tử trong vật liệu, trật tự gần, trật tự khoảng trung) của mô hình vật liệu trong không gian ba chiều

32

Hình 1.7 Trực quan khoa học - các tầng Ozon trên trái đất

Hình 1.8 Trực quan thông tin - các liên kết web tự động

33

Việc chọn phương pháp trực quan hóa nhằm mang lại sự hiểu biết tốt hơn về hệ vật liệu thực nghiên cứu ở mức độ nguyên tử đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong những năm qua Đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp trực quan để nghiên cứu các mô hình nguyên tử [4, 5, 18, 24, 26, 27,

44, 45, 49, 92, 131] Các công trình này đã phân tích dữ liệu mô phỏng ở mức độ nguyên tử sử dụng các phần mềm trực quan hóa thương mại hoặc phần mềm mã nguồn mở Ví dụ như phần mềm VMD - Động lực học phân tử trực quan (visual Molecular Dynamics) [131], XcrysDen [4], CrystalMaker [45], Molscipt [92], và AmiraMol [44] Kỹ thuật trực quan VMD được thiết kế đầu tiên cho các hệ phân tử sinh học và mô tả tốt được cấu trúc cũng như một số đặc trưng của các phân tử sinh học được sử dụng cho mục đích nghiên cứu y sinh Kỹ thuật trực quan hóa XcrysDen trong công trình [45] có thể trực quan cấu trúc phân tử và tinh thể với khả năng có thể thêm vào mật độ điện tích của chúng Tương tự các gói thương mại như CrystalMaker và AmiraMol có thể trực quan hóa các hình trong không gian 3 chiều

và người dùng có thể điều khiển được, các mô hình trực quan có thể lên đến hàng triệu nguyên tử Bên cạnh đó các chương trình với các mục đích riêng cũng rất phong phú [49], bao gồm Rasmol, AtomEye, Aviz, Atomsviewer, gOpenMol, ASP, DataViewer, PyMD Phần lớn các chương trình trực quan hóa khai thác đồ họa máy tính 3 chiều thông thường phù hợp với máy tính cá nhân và một số khác đòi hỏi hệ thống máy tính đặc biệt Sử dụng kỹ thuật trực quan trong công trình [27] đã biểu diễn các mô hình nguyên tử là các quả cầu cứng, biểu diễn các liên kết hóa học giữa các quả cầu nguyên tử bằng các đường liên kết như đường thẳng, các thanh, que tạo nên cấu trúc của mô hình vật liệu Các nghiên cứu trong các công trình [18, 24, 26, 27] biểu diễn trực quan các quá trình nguyên tử dịch chuyển vị trí, quay trong không gian theo thời gian và có thể đo được khoảng cách, góc và góc nhị diện (góc giữa hai mặt phẳng) giữa các đơn vị cấu trúc Ngoài ra, các tính chất của tinh thể như sự biến đổi giữa các ô cơ bản và ô thông thường cũng được trực quan rõ ràng trong các công trình [26] Trong công trình [27] đã đưa ra một công cụ trực quan hóa với độ chính xác cao trên cơ sở các dữ liệu mô phỏng ở mức nguyên tử theo không gian và thời gian đối với hệ MgO, cung cấp các thông tin hữu ích về các đặc trưng như phân bố số phối trí, sự kết cụm của các nguyên tử, vi cấu trúc, hàm phân

34

bố xuyên tâm của MgO lỏng …bằng hình ảnh trực quan một cách rõ ràng, dễ hiểu Như vậy, các chương trình trực quan hóa có thể hỗ trợ rất nhiều file định dạng khác nhau lấy từ nguồn thực nghiệm và mô phỏng để đưa ra kết quả dưới dạng hình ảnh trực quan khoa học và dễ hiểu nhất đối với các mô hình nguyên tử Hơn nữa các công trình nghiên cứu về vi cấu trúc và động học trong các ô xít MgO, Al2O3 và GeO2 ở trạng thái lỏng có sử dụng đến kỹ thuật trực quan hóa là rất ít, hầu như chưa

ai làm Vì vậy, việc nghiên cứu các vật liệu ô xít này với sự trợ giúp của kỹ thuật trực quan hóa sẽ giúp chúng tôi có sự hiểu biết sâu sắc hơn về các vấn đề nghiên cứu