BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -[\ [\ - TÁC GIẢ Nguyễn Thị Thảo TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu ảnh hưởng hạt nano đến tích chất dẫn điện dung dịch LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Văn Hồng Hà Nội, năm 2011 -1- Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài 2 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp luận văn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1.Vật liệu vô định hình 1.2 Mô vật liệu VĐH Sắt 12 1.3 Thế tương tác nguyên tử 14 1.4 Vật liệu nano 18 1.5 Phương pháp động lực học phân tử 19 1.6.Phương pháp mô nhiệt độ nóng chảy 27 CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 28 2.1 Phương pháp thống kê hồi phục .28 2.2 Phương pháp động lực học phân tử 31 2.3 Chương trình xác định Simplex 33 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Hình dạng hạt nano Sắt 36 3.2 Cấu trúc phân lớp hạt nano .36 3.3 Phân tích vi cấu trúc hạt nano 41 3.3.1 Mật độ nguyên tử .41 3.3.2 Sự phân bố Simplex 42 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 51 Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày vật liệu nano ứng dụng rộng rãi kỹ thuật đời sống loại sơn chống thấm mốc, chất xúc tác, dung môi, dung dịch làm mát động cơ, công nghiệp may mặc, thời trang, mỹ phẩm, Có ứng dụng rộng rãi vật liệu nano có tính chất vật lý kì lạ khác hẳn tính chất vật liệu khối Trong trường hợp đơn giản, pha nồng độ nhỏ hạt nano kim loại vào dung dịch làm mát động tính chất dẫn nhiệt dung dịch tăng lên đáng kể Hiệu trình phụ thuộc vào loại vật liệu pha, nồng độ pha tạp mà phụ thuộc lớn vào kích thước hạt pha tạp Do việc nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nano đến tính dẫn nhiệt dung dịch có ý nghĩa khoa học thực tiễn Các vật liệu nano tạo với nhiều kích thước, hình dạng nhiều phương pháp thực nghiệm khác phương pháp hóa học, phương pháp học [12,6-11] Tuy nhiên phương pháp thực nghiệm bị hạn chế việc tạo hạt nano với kích thước mong muốn, đồng kích thước Bởi việc tốn nhiều thời gian, kinh phí đòi hỏi kĩ thuật cao Phương pháp mô giúp khắc phục hạn chế Để nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nano lên tính dẫn nhiệt dung dịch pha tạp hạt nano việc tìm hiểu đặc trưng nhiệt riêng hạt nano yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt hạt nano vô cần thiết Do luận văn tập trung khảo sát phân tích vi cấu trúc hạt nano, đặc biệt phân tích bề mặt - yếu tố ảnh hưởng nhiều đến tính chất hạt nano Từ đưa nhìn chi tiết hạt nano, đặc trưng vi cấu trúc hạt nano, phụ thuộc kích thước đặc trưng nhiệt chúng Kết khoảng nhiệt độ chuyển pha hạt nano nghiên cứu Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo Hạt nano kim loại nghiên cứu đề tài hạt nano Sắt (Fe) kim loại phổ biến có ứng dụng rộng rãi Những năm gần đây, từ tính hạt nano Fe nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu thu nhiều kết Điều tạo sở cho nghiên cứu mở rộng tính chất khác hạt nano Fe Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nano đến tính chất dẫn nhiệt dung dịch Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đặc trưng vi cấu trúc nhiệt độ chuyển pha theo kích thước hạt nano Sắt Nhiệm vụ nghiên cứu Luận văn thực nhiệm vụ sau đây: ™ Phác họa hình dạng hạt nano Fe hình cầu với bề mặ lồi lõm ™ Phân tích vi cấu trúc hạt nano Fe theo nhiệt độ theo kích thước ™ Khảo sát đặc trưng nhiệt hạt nano Fe ™ So sánh kết thu hạt nano Fe với vật liệu Fe khối Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô động lực học phân tử (MD), phương pháp thống kê hồi phục (TKHP) phương pháp phân tích vi cấu trúc Đóng góp luận văn Luận văn hoàn thành số công việc sau đây: ™ Xây dựng mô hình hạt nano Fe hình cầu với kích thước khác ™ Phân tích vi cấu trúc hạt nano Fe Đưa sở việc phân lớp hạt nano thành lớp lõi lớp bề mặt ™ Khảo sát đặc trưng cấu trúc lớp lõi lớp bề mặt So sánh chúng với với vật liệu khối ™ Khảo sát đặc trưng nhiệt hạt nano Fe So sánh với vật liệu khối Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo Cấu trúc luận văn Luận văn gồm 66 trang với bố cục chia làm phần: mở đầu, nội dung kết luận Phần nội dung chia làm ba chương Trong đó, chương trình bày tổng quan vật liệu nano kim loại sở hai nguyên tố Fe, nghiên cứu dựa phương pháp mô MD tương ứng với tương tác sử dụng Các phương pháp mô MD, mô TKHP phương pháp phân tích vi cấu trúc vật liệu nano trình bày chi tiết chương hai Chương ba trình bày kết thu đặc trưng vi cấu trúc đặc trưng nhiệt hạt nano Fe Từ đưa so sánh với kết ứng với vật liệu khối Phần cuối phụ lục tài liệu tham khảo Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo CHƯƠNG I TỔNG QUAN Hiện mô trình vật lý trở thành công cụ nghiên cứu quan trọng ứng dụng rộng rãi khoa học vật liệu [3-16,5-14,19] Tương tự trình thực nghiệm, mô vật liệu vi mô thực "chế tạo" mẫu vật liệu mô hình sau xác định (đo đạc) tính chất vật lý chúng Trong quan hệ với phương pháp nghiên cứu khác, mô hay thực nghiệm mô hình thừa nhận nhánh thứ ba khoa học vật liệu đóng vai trò liên kết chặt chẽ hai phương pháp lý thuyết thực nghiệm Mô vật liệu chia làm hai loại: mô vĩ mô (các mô hình liên tục) mô vi mô (các mô hình nguyên tử) [5,18] Một phương pháp mô vi mô ứng dụng phổ biến phương pháp ĐLPT Cùng với đó, nhiều năm qua vật liệu nano vô định hình (VĐH) đối tượng nghiên cứu nhà khoa học lý thuyết thực nghiệm tính chất vật lý đặc biệt khả ứng dụng to lớn chúng đời sống Đặc biệt Fe – kim loại ứng dụng phổ biến Vì vậy, nội dung chương đề cập vấn đề nano kim loại VĐH sở nguyên tố Fe, mô vật liệu nano VĐH Fe với tương tác nhúng nguyên tử (EAM) 1.1.Vật liệu vô định hình Một cách tổng quát, vật liệu VĐH hiểu cách đơn giản chúng có cấu trúc phi tinh thể theo mức độ đặc trưng Theo cách hiểu này, VĐH cấu trúc theo trật tự xa (có nghĩa tính chất xếp tuần hoàn có mặt khoảng lớn so với số tinh thể ) tinh thể mà có cấu trúc bất trật tự, thực chất mang tính trật tự phạm vi hẹp, gọi trật tự gần giới hạn mặt cầu phối vị thứ Khi nói đến trật tự gần, người ta thường đề cập đến đại lượng số phối trí trung bình (SPTTB) z , khoảng cách trung bình r nguyên tử lân cận Khác với tinh thể, vật liệu VĐH số phối vị nguyên tử Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo khác nói chung khác khoảng cách chúng với nguyên tử lân cận khác Theo mô hình cầu rắn xếp chặt Berna Scot trạng thái vô định hình trạng thái vật liệu gồm nguyên tử xếp cách bất trật tự cho nguyên tử có nguyên tử bao bọc cách ngẫu nhiên xếp chặt xung quanh Khi xét nguyên tử làm gốc bên cạnh với khoảng cách d dọc theo phương (d bán kính nguyên tử) tồn nguyên tử khác nằm sát với nó, khoảng cách 2d, 3d, 4d khả tồn nguyên tử loại giảm dần Cách xếp tạo trật tự gần Vật rắn vô định hình mô tả giống cầu cứng xếp chặt túi cao su bó chặt cách ngẫu nhiên tạo nên trật tự gần Cấu trúc vô định hình hình thành từ năm loại mạng (hình 1.1), tỉ lệ nguyên tử 65% thể tích, lại 35% khoảng trống Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo Trong thực tế, VĐH Fe sử dụng hệ trật tự đơn giản để nghiên cứu chế khuếch tán hay khảo sát đặc trưng vi cấu trúc giống hợp kim VĐH [22] Cũng giống khảo sát vi cấu trúc hệ hợp kim kim loại VĐH ta thường dùng cách phổ biến để xác định đặc trưng cho trật tự gần dùng hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) g(r)- đại lượng tuân theo quy tắc thống kê Theo học thống kê, hàm tương quan cặp hay HPBXT g(r) xác định sau: g (r ) = V N2 ∑ δ (r i , j ≠i ij − r) (1.1) Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo V thể tích mẫu vật liệu N số nguyên tử chứa thể tích V Phương trình (1.1) viết lại cách tường minh sau: g (r ) = N V N2 ∑ ∫ d r d r d r i, j≠ j N PN ( r N )δ ( rij − r ) (1.2) rij=ri-rj ri, rj véc tơ toạ độ hạt thứ i thứ j Véc tơ r thông số xuất biến thực vế trái phương trình (giá trị r chọn) Hàm g(r) hiểu tỷ lệ thuận với xác suất tìm thấy nguyên tử cách nguyên tử trung tâm véc tơ r Đối với hệ đẳng hướng, g(r) phụ thuộc vào độ dài r= |r| Lấy tích phân qua thể tích V(r, ∆r) r r+dr giả sử lớp vỏ hình cầu đủ mỏng thu được: ∫ dr.g (r) ≈ 4π r ∆rg (r ) (1.3) V ( r , ∆r ) Thay phương trình (1.3) vào (1.2) có: g (r ) = V 4π r ∆ rN V = 4π r ∆ rN N ∫ V ( r , ∆r ) ∫ d r d r d r ∑ ∫ d r1 d r2 d rN p N ( r N )δ ( rij − r ) i, j≠i N p N (r ) ∑ N N ∫ i , j ≠ i V ( r ,∆r ) d rδ (rij − r ) (1.4) Tích phân hàm delta, tính số hạt lớp hình cầu ni(r,∆r) ni (r , ∆r ) = ∑ ∫ i ≠ j V ( r , ∆r ) drδ (rij − r ) (1.5) Thay (1.5) vào (1.3) tìm được: g (r ) ≈ V 4π r ∆ rN 2 ∫ dr d r d r N P N ( r V = 4π r ∆ rN N )∑ ni(r , ∆ r ) = i ∑ ni(r , ∆ r ) i (1.6) Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo Phương trình (1.6) viết lại cách đơn giản sau: g (r ) = ρ (r ) ρ0 (1.7) với ρ0 mật độ nguyên tử trung bình thể tích V mẫu vật liệu ρ(r) mật độ nguyên tử khoảng cách r tính từ nguyên tử trung tâm N ⎧ ⎪ ρ0 = V ⎪ ⎨ ⎪ N ⎪ ρ (r ) = ⎩ ∑ n (r , ∆r ) (1.8) i i 4π r ∆r HPBXT xác định từ thực nghiệm Đại lượng đo trực tiếp từ thực nghiệm nhiễu xạ cường độ nhiễu xạ I(θ) Trong đó, θ góc tia tới tia tán xạ Gọi kin kout tương ứng véc tơ sóng tới véc tơ sóng tán xạ Bởi tán xạ đàn hồi, |kin|=|kout|, với k=kin- kout có : K= k = 4π λin sin(θ / 2) (1.9) Cường độ tán xạ tách thành hai phần: thừa số dạng nguyên tử f(K) thừa số cấu trúc S(K) sau: I(θ)=f(K ).N S(K ) (1.10) Thừa số hình dạng đặc trưng cho loại nguyên tử phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh thiết bị đo Thừa số cấu trúc xác định phương trình (1.11) chứa tất thông tin vị trí nguyên tử S(k )= N N ∑ exp[ik (r -r l m l,m )] (1.11) Luận văn thạc sĩ Vật Lý Nguyễn Thị Thảo p=fopen(s,"w+"); fprintf(p,"%5d %9.5f %9.5f %9.5f %9.5f\n",n,l,a,a,a); for(i=0;i