Xem mẫu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUYỆN THỊ SAN
NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA
CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số: 62520401
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2017
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN HỒNG
2. GS. TS. VŨ VĂN HÙNG
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
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
Hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu phổ biến trong
vỏ trái đất, có nhiều ứng dụng công nghệ cao, đồng thời đóng vai trò
quan trọng với ngành khoa học trái đất. Chính vì vậy những nghiên cứu
về cấu trúc và động học của những vật liệu này không chỉ giúp nâng cao
hiểu biết về các quá trình xảy ra trong lòng trái đất, mà còn giúp chế tạo
những vật liệu có tính chất ưu việt.
Cấu trúc, động học, mối liên hệ giữa cấu trúc và động học của các
chất lỏng luôn là chủ đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Cho đến nay, có rất nhiều các mô hình lý thuyết, các công trình nghiên
cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được tiến hành nhằm giải thích các
hiện tượng thú vị như đa thù hình, tách pha vi mô, động học không đồng
nhất, thuyên giảm động học, khuếch tán dị thường, v.v.. Một số mô hình
lý thuyết được đưa ra như: Mô hình 2 trạng thái (two-state model) nhằm
giải thích quá trình chuyển từ pha mật độ thấp tới pha mật độ cao khi áp
suất thay đổi, lý thuyết Adam-Gibbs với ý tưởng trung tâm là sự tồn tại
các vùng tự sắp xếp đã giải thích thành công hiện tượng thuyên giảm
động học cho một vài chất lỏng, v.v.. Một số nghiên cứu khác cho rằng
các hiện tượng động học có thể được nhận biết chỉ thông qua các biến
động học như theo dõi chuyển động của các hạt linh động, các tham số
không có dạng phân bố Gauss, phương trình tương quan đa điểm, v.v..
Trong một vài nghiên cứu gần đây, mối liên hệ giữa cấu trúc và động
học đã được chỉ ra.
Hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới
tiến hành nghiên cứu hai vật liệu này, tuy nhiên các kết quả thu được vẫn
chưa thống nhất và nhiều vấn đề chưa được làm rõ như: i) Các hiện
tượng liên quan tới sự thay đổi cấu trúc do ảnh hưởng của áp suất; ii)
Liệu có thực sự tồn tại mô hình hai trạng thái trong những chất lỏng này,
cấu trúc của pha mật độ thấp và pha mật độ cao như thế nào; iii) Nguyên
nhân dẫn tới hiện tượng động học không đồng nhất hoặc cơ chế khuếch
tán trong các chất lỏng có cấu trúc mạng (network - forming liquid). Từ
1
những lý do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài luận án “Nghiên cứu
đặc trưng cấu trúc và động học của các vật liệu SiO2 và MgSiO3 lỏng”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận án hướng tới là nâng cao hiểu biết về cấu trúc
và động học các vật liệu lỏng có cấu trúc mạng nói chung. Đối tượng
nghiên cứu cụ thể của luận án là hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 ở trạng thái
lỏng. Phạm vi nghiên cứu của luận án chủ yếu là các hiện tượng liên
quan tới cấu trúc và động học của hai vật liệu trên ở trạng thái lỏng.
Cụ thể với vật liệu SiO2:
- Xây dựng các mẫu SiO2 lỏng kích thước 1998 nguyên tử với nhiệt
độ dao động từ 2600÷3500 K và áp suất từ 0÷30 GPa; Tiến hành khảo
sát và giải thích cơ chế của các hiện tượng như: hiện tượng đa thù hình,
khuếch tán, động học không đồng nhất.
Cụ thể với vật liệu MgSiO3:
- Xây dựng các mẫu MgSiO3 với kích thước 5000 nguyên tử, nhiệt
độ 3500 K và áp suất dao động từ 0÷30 GPa. Nghiên cứu cấu trúc và sự
thay đổi cấu trúc MgSiO3 khi áp suất thay đổi, từ đó làm rõ các đặc
trưng cấu trúc.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử
(ĐLHPT) để xây dựng các mẫu vật liệu SiO2 và MgSiO3. Các hiện
tượng liên quan tới cấu trúc và động học được phân tích dựa trên quan
điểm xem cấu trúc của vật liệu được hình thành từ các đơn vị phối trí
(ĐVPT). Các kỹ thuật phân tích cấu trúc được sử dụng trong luận án như
hàm phân bố xuyên tâm (PBXT), khảo sát phân bố góc, khảo sát phân bố
khoảng cách, v.v.. Kỹ thuật phân tích động học chủ yếu là khảo sát sự
chuyển đổi giữa các ĐVPT, khảo sát quá trình tạo đám của những
nguyên tử có tính chất đặc biệt, v.v. Kỹ thuật trực quan hóa các dữ liệu
mô phỏng cũng được sử dụng nhằm đưa ra những hình ảnh trực quan về
sự sắp xếp của các nguyên tử, ĐVPT, v.v. trong không gian.
2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Những kết quả mà luận án thu được đã góp phần làm rõ bức tranh
về cấu trúc và động học của các chất lỏng mà cấu trúc của chúng bao
gồm những ĐVPT liên kết với nhau trong không gian, hay còn được gọi
là những chất lỏng có cấu trúc mạng. Nhóm vật liệu được nghiên cứu
trong luận án gồm SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu chủ yếu trong
vỏ trái đất. Chính vì vậy, những nghiên cứu về hai vật liệu này trong dải
nhiệt độ và áp suất cao sẽ có ý nghĩa thiết thực với ngành khoa học trái
đất, cho phép các nhà khoa học dự đoán các quá trình địa chất.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Chỉ ra cấu trúc mạng của SiO2 lỏng được hình thành từ 5 ĐVPT và
chia thành hai pha: mật độ thấp và mật độ cao. Pha mật độ thấp gồm các
ĐVPT SiO4 liên kết với nhau thông qua OSi2. Pha mật độ cao gồm các
ĐVPT SiO5, SiO6 liên kết với nhau thông qua OSi3. Cấu trúc không
đồng nhất là nguyên nhân dẫn tới hiện tượng các chuyển đổi phân bố
không đồng nhất trong không gian cũng như hiện tượng động học không
đồng nhất.
- Chứng minh khuếch tán không chỉ đơn giản là quá trình chuyển
đổi giữa các ĐVPT. Chuyển đổi có ích giữa các ĐVPT mới là yếu tố
quan trọng dẫn tới khuếch tán. Chuyển động tương quan liên quan tới sự
dịch chuyển của một nhóm các nguyên tử là nguyên nhân gây ra hiện
tượng khuếch tán dị thường và thuyên giảm động học trong vật liệu SiO2
lỏng.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy môi trường địa phương của Si trong
vật liệu SiO2 lỏng và MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi là tương tự nhau.
Khi áp suất thay đổi, vật liệu MgSiO3 lỏng luôn tồn tại những vùng Si và
vùng Mg, ứng với hiện tượng tách pha vi mô.
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận
án được chia thành 4 chương:
3
nguon tai.lieu . vn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUYỆN THỊ SAN
NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA
CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số: 62520401
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2017
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN HỒNG
2. GS. TS. VŨ VĂN HÙNG
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
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
Hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu phổ biến trong
vỏ trái đất, có nhiều ứng dụng công nghệ cao, đồng thời đóng vai trò
quan trọng với ngành khoa học trái đất. Chính vì vậy những nghiên cứu
về cấu trúc và động học của những vật liệu này không chỉ giúp nâng cao
hiểu biết về các quá trình xảy ra trong lòng trái đất, mà còn giúp chế tạo
những vật liệu có tính chất ưu việt.
Cấu trúc, động học, mối liên hệ giữa cấu trúc và động học của các
chất lỏng luôn là chủ đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Cho đến nay, có rất nhiều các mô hình lý thuyết, các công trình nghiên
cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được tiến hành nhằm giải thích các
hiện tượng thú vị như đa thù hình, tách pha vi mô, động học không đồng
nhất, thuyên giảm động học, khuếch tán dị thường, v.v.. Một số mô hình
lý thuyết được đưa ra như: Mô hình 2 trạng thái (two-state model) nhằm
giải thích quá trình chuyển từ pha mật độ thấp tới pha mật độ cao khi áp
suất thay đổi, lý thuyết Adam-Gibbs với ý tưởng trung tâm là sự tồn tại
các vùng tự sắp xếp đã giải thích thành công hiện tượng thuyên giảm
động học cho một vài chất lỏng, v.v.. Một số nghiên cứu khác cho rằng
các hiện tượng động học có thể được nhận biết chỉ thông qua các biến
động học như theo dõi chuyển động của các hạt linh động, các tham số
không có dạng phân bố Gauss, phương trình tương quan đa điểm, v.v..
Trong một vài nghiên cứu gần đây, mối liên hệ giữa cấu trúc và động
học đã được chỉ ra.
Hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới
tiến hành nghiên cứu hai vật liệu này, tuy nhiên các kết quả thu được vẫn
chưa thống nhất và nhiều vấn đề chưa được làm rõ như: i) Các hiện
tượng liên quan tới sự thay đổi cấu trúc do ảnh hưởng của áp suất; ii)
Liệu có thực sự tồn tại mô hình hai trạng thái trong những chất lỏng này,
cấu trúc của pha mật độ thấp và pha mật độ cao như thế nào; iii) Nguyên
nhân dẫn tới hiện tượng động học không đồng nhất hoặc cơ chế khuếch
tán trong các chất lỏng có cấu trúc mạng (network - forming liquid). Từ
1
những lý do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài luận án “Nghiên cứu
đặc trưng cấu trúc và động học của các vật liệu SiO2 và MgSiO3 lỏng”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận án hướng tới là nâng cao hiểu biết về cấu trúc
và động học các vật liệu lỏng có cấu trúc mạng nói chung. Đối tượng
nghiên cứu cụ thể của luận án là hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 ở trạng thái
lỏng. Phạm vi nghiên cứu của luận án chủ yếu là các hiện tượng liên
quan tới cấu trúc và động học của hai vật liệu trên ở trạng thái lỏng.
Cụ thể với vật liệu SiO2:
- Xây dựng các mẫu SiO2 lỏng kích thước 1998 nguyên tử với nhiệt
độ dao động từ 2600÷3500 K và áp suất từ 0÷30 GPa; Tiến hành khảo
sát và giải thích cơ chế của các hiện tượng như: hiện tượng đa thù hình,
khuếch tán, động học không đồng nhất.
Cụ thể với vật liệu MgSiO3:
- Xây dựng các mẫu MgSiO3 với kích thước 5000 nguyên tử, nhiệt
độ 3500 K và áp suất dao động từ 0÷30 GPa. Nghiên cứu cấu trúc và sự
thay đổi cấu trúc MgSiO3 khi áp suất thay đổi, từ đó làm rõ các đặc
trưng cấu trúc.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử
(ĐLHPT) để xây dựng các mẫu vật liệu SiO2 và MgSiO3. Các hiện
tượng liên quan tới cấu trúc và động học được phân tích dựa trên quan
điểm xem cấu trúc của vật liệu được hình thành từ các đơn vị phối trí
(ĐVPT). Các kỹ thuật phân tích cấu trúc được sử dụng trong luận án như
hàm phân bố xuyên tâm (PBXT), khảo sát phân bố góc, khảo sát phân bố
khoảng cách, v.v.. Kỹ thuật phân tích động học chủ yếu là khảo sát sự
chuyển đổi giữa các ĐVPT, khảo sát quá trình tạo đám của những
nguyên tử có tính chất đặc biệt, v.v. Kỹ thuật trực quan hóa các dữ liệu
mô phỏng cũng được sử dụng nhằm đưa ra những hình ảnh trực quan về
sự sắp xếp của các nguyên tử, ĐVPT, v.v. trong không gian.
2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Những kết quả mà luận án thu được đã góp phần làm rõ bức tranh
về cấu trúc và động học của các chất lỏng mà cấu trúc của chúng bao
gồm những ĐVPT liên kết với nhau trong không gian, hay còn được gọi
là những chất lỏng có cấu trúc mạng. Nhóm vật liệu được nghiên cứu
trong luận án gồm SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu chủ yếu trong
vỏ trái đất. Chính vì vậy, những nghiên cứu về hai vật liệu này trong dải
nhiệt độ và áp suất cao sẽ có ý nghĩa thiết thực với ngành khoa học trái
đất, cho phép các nhà khoa học dự đoán các quá trình địa chất.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Chỉ ra cấu trúc mạng của SiO2 lỏng được hình thành từ 5 ĐVPT và
chia thành hai pha: mật độ thấp và mật độ cao. Pha mật độ thấp gồm các
ĐVPT SiO4 liên kết với nhau thông qua OSi2. Pha mật độ cao gồm các
ĐVPT SiO5, SiO6 liên kết với nhau thông qua OSi3. Cấu trúc không
đồng nhất là nguyên nhân dẫn tới hiện tượng các chuyển đổi phân bố
không đồng nhất trong không gian cũng như hiện tượng động học không
đồng nhất.
- Chứng minh khuếch tán không chỉ đơn giản là quá trình chuyển
đổi giữa các ĐVPT. Chuyển đổi có ích giữa các ĐVPT mới là yếu tố
quan trọng dẫn tới khuếch tán. Chuyển động tương quan liên quan tới sự
dịch chuyển của một nhóm các nguyên tử là nguyên nhân gây ra hiện
tượng khuếch tán dị thường và thuyên giảm động học trong vật liệu SiO2
lỏng.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy môi trường địa phương của Si trong
vật liệu SiO2 lỏng và MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi là tương tự nhau.
Khi áp suất thay đổi, vật liệu MgSiO3 lỏng luôn tồn tại những vùng Si và
vùng Mg, ứng với hiện tượng tách pha vi mô.
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận
án được chia thành 4 chương:
3