Tài liệu Nghiên cứu sự hình thành pha tinh thể và thủy tinh của hạt nano feb bằng phương pháp mô phỏng

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM ĐỨC LINH NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHA TINH THỂ VÀ THỦY TINH CỦA HẠT NANO FeB BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM ĐỨC LINH NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHA TINH THỂ VÀ THỦY TINH CỦA HẠT NANO FeB BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Hữu Kiên THÁI NGUYÊN - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng tôi, do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Hữu Kiên và trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu tham khảo. Nó không trùng kết quả với bất kì tác giả nào từng công bố. Nếu sai tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng. Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Đức Linh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Phạm Hữu Kiên đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Người Thầy rất thương yêu tôi, tận tình chỉ bảo và giảng giải cho tôi các vấn đề liên quan đến luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô tại Khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên, đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài luận văn. Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo cũng như các thầy cô tại trường Văn hóa I - BCA đã giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, các anh chị lớp Cao học Vật lý Chất rắn K23 đã dành tình cảm, động viên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Đức Linh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii MỤC LỤC ......................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................. v MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 7 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 7 2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................. 8 3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 8 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 8 5. Đóng góp của luận văn ................................................................................ 8 6. Cấu trúc của đề tài ...................................................................................... 9 Chương 1 TỔNG QUAN ................................................................................. 10 1.1. Vật liệu nano ........................................................................................... 10 1.1.1. Tính chất của hạt nano..................................................................... 11 1.1.2. Một số ứng dụng của hạt nano ........................................................ 12 1.1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu nano.................................................. 13 1.2. Mô phỏng ................................................................................................ 15 1.2.1. Tổng quan về các phương pháp mô phỏng ..................................... 15 1.2.2. Các phương pháp mô phỏng ............................................................ 17 1.3. Lý thuyết cổ điển về mầm và sự phát triển mầm ................................... 21 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................ 24 2.1. Phương pháp động lực học phân tử ........................................................ 24 2.2. Phương pháp thống kê hồi phục ............................................................. 30 2.3. Xây dựng hạt nano .................................................................................. 32 2.4. Xây dựng hạt nano .................................................................................. 33 2.4.1. Hàm phân bố xuyên tâm .................................................................. 33 iii 2.4.2. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano ............................................ 36 2.5. Phương pháp xác định mầm tinh thể ...................................................... 38 Chương 3 MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ CHẾ TINH THỂ HÓA HẠT NANO KIM LOẠI Fe100-xBx ......................................................... 40 3.1. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ, mức độ hồi phục, nồng độ nguyên tử B đến cấu trúc hạt nano Fe100-xBx .................................................................. 40 3.1.1. Mô phỏng cấu trúc hạt nano Fe100-xBx ở nhiệt độ 900K .................. 40 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt đến cấu trúc của hạt nano Fe100-xBx vô định hình .............................................................................. 47 3.2. Cơ chế tinh thể hóa của Fe95B5 ............................................................... 49 3.2.1. Cơ chế tinh thể hóa của Fe95B5........................................................ 49 3.2.2. Giải thích cơ chế tạo thành tinh thể theo phương pháp giải tích..... 54 3.2.3. Giải thích cơ chế tạo thành tinh thể theo phương pháp trực quan hóa ..55 3.3. Cơ chế tạo pha thủy tinh trong kim loại Fe ............................................ 58 KẾT LUẬN....................................................................................................... 64 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ............... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 66 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐLHPT : Động lực học phân tử ĐVCT : Đơn vị cấu trúc HPBXT : Hàm phân bố xuyên tâm MC : Monte Carlo NLBĐ : Nguyên lý ban đầu SPT : Số phối trí TKHP : Thống kê hồi phục TSCT : Thừa số cấu trúc VĐH : Vô định hình iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Tổng năng lượng tự do theo kích thước của đám ........................... 23 Hình 2.1. Sơ đồ khối phương pháp ĐLHPT ................................................... 29 Hình 2.2. Sơ đồ khối phương pháp TKHP ...................................................... 31 Hình 2.3. Sơ đồ minh họa 2 chiều (2D) vị trí các đỉnh của HPBXT đối với cấu trúc VĐH ......................................................................................... 36 Hình 2.4. Minh họa sự xác định HPBXT đối với hạt nano (A); Lõi và bề mặt hạt nano (B); Ba vùng trong hạt nano (C). ...................................... 37 Hình 2.5. Hình vẽ minh họa cách xác định mầm tinh thể trong mẫu vật liệu 39 Hình 3.2. Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu Fe ở 900K ................................. 41 Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu Fe95B5 ở 900K .......................... 42 Hình 3.4. Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu Fe90B10 ở 900K ................................43 Hình 3.5. Năng lượng hạt nano Fe tại 900K như là hàm của các bước mô phỏng 45 Hình 3.6. Năng lượng hạt nano Fe95B5 tại 900K như là hàm của các bước mô phỏng ................................................................................ 46 Hình 3.7. Năng lượng hạt nano Fe90B10 tại 900K như là hàm của các bước mô phỏng .................................................................................. 46 Hình 3.8. Phân bố số phối trí của hạt nano sắt ở 900K với số bước chạy 105 và 5 × 107 bước.......................................................................................................48 Hình 3.9: Nguyên tử tinh thể NCr như là hàm của thời gian đối với mẫu Fe95B5 được ủ ở 900K ............................................................................................49 Hình 3.10. Ảnh chụp sự phân bố riêng biệt của các nguyên tử nCV được xác định.51 Hình 3.11. Ảnh chụp sự phân bố riêng biệt của các nguyên tử nCV được xác định.51 Hình 3.12. Ảnh chụp được chọn về sự phân bố riêng của các CB-atoms, CV-atoms. ............................................................................... 52 Hình 3.13. Ảnh chụp Am − toms trong lõi hạt nano Fe95B5 thu được ở thời điểm cuối. ............................................................................... 53 v Hình 3.14. Ảnh chụp Am − toms bề mặt hạt nano Fe95B5 thu được ở thời điểm cuối. ............................................................................... 53 Hình 3.15. Biểu diễn năng lượng của các nguyên tử loại khác nhau (ECr, EAm, ECB and EAB) như là hàm của thời gian............................................................55 Hình 3.16. Ảnh chụp sự sắp xếp nguyên tử đối với mẫu Fe95B5 ...................... 57 Hình 3.17. Ảnh chụp sự sắp xếp nguyên tử của tinh thể Fe95B5 . ..................... 57 Hình 3.18. Động năng trung bình của một nguyên tử Fe ở nhiệt độ 200K và 1500K. .........................................................................................................58 Hình 3.19. Hàm phân bố xuyên tâm của Fe ở trạng thái lỏng và thủy tinh .............59 Hình 3.20. Phân bố số phối trí của Fe theo nhiệt độ ......................................... 60 Hình 3.21. Phân bố bán kính ĐVCT theo nhiệt độ, ở áp suất 0 GPa ................ 61 Hình 3.22. Phân bố khoảng các giữa các đỉnh của tứ diện ĐVCT theo nhiệt độ, ở áp suất 0 GPa. .............................................................................................61 vi MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, vật liệu nano đang được tập chung nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bởi các tính chất khác biệt của chúng so với vật liệu khối. Hạt nano có lõi với đặc trưng cấu trúc tương tự như vật liệu khối, còn vỏ có cấu trúc xốp. Hạt nano có thể có cấu trúc tinh thể hoặc VĐH phụ thuộc vào phương pháp chế tạo. Tương tự như vật liệu khối, hạt nano VĐH có thể chuyển sang trạng thái tinh thể khi chúng được ủ nhiệt ở nhiệt độ thích hợp. Cơ chế chuyển pha VĐH sang tinh thể của hạt nano về nguyên tắc sẽ khác với vật liệu khối, vì hạt nano chứa một số lượng lớn các nguyên tử ở phần vỏ. Nhóm các vật liệu nano Fe và các hợp kim của chúng được đặc biệt quan tâm bởi rất nhiều lý do. Nó là một trong những vật liệu từ tính thông dụng nhất, có thể được sử dụng trong các lõi biến áp điện và các phương tiện lưu trữ từ tính cũng như chất xúc tác. Tương tự như các mẫu khối, tinh thể hóa hạt nano cũng nhận được sự quan tâm rộng rãi của các nhà vật lý. Sử dụng phương pháp DSC (Differential scanning calorimetry) nghiên cứu sự biến đổi pha trong hạt nano VĐH Co cho thấy nhiệt độ chuyển pha thủy tinh và nhiệt độ tinh thể hóa phụ thuộc vào kích thước của hạt nano. Các kết quả mô phỏng chỉ ra khi tốc độ làm lạnh giảm, cấu trúc VĐH của hạt nano thay đổi sang tinh thể thông qua khối đa diện 20 mặt. Bề mặt khối đa diện 20 mặt có các đặc điểm cấu trúc tinh thể với mặt tương ứng là {1,1,1}, còn trong lõi vẫn là VĐH. Mẫu tinh thể đầy đủ là đa tinh thể lập phương tâm mặt (fcc). Tuy nhiên cho đến nay, quá trình hình thành pha tinh thể và pha thủy tinh trong vật liệu kim loại còn nhiều khía cạnh chưa được làm rõ. Do đó chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu sự hình thành pha tinh thể và thủy tinh của hạt nano FeB bằng phương pháp mô phỏng” để cung cấp thêm những hiểu biết và thông tin về cơ chế hình thành pha thủy tinh và tinh thể trong vật liệu kim loại. 7 2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu cấu trúc của hạt nano FeB ở các trạng thái khác nhau: trạng thái lỏng, trạng thái tinh thể và thủy tinh. Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ hồi phục đến cấu trúc của hạt nano bằng cách ủ nhiệt hạt nano FeB ở 900K. Từ đó chỉ ra cơ chế hình thành pha tinh thể và thủy tinh trong FeB. Nghiên cứu cơ chế tinh thể hóa và sự tạo pha thủy tinh thông qua mầm tinh thể và các đơn vị cấu trúc. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng TKHP, ĐLHPT, trực quan hóa và phương pháp phân tích vi cấu trúc để xây dựng, phân tích và tính toán các đặc trưng cấu trúc, tính chất hạt nano FeB. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hạt nano FeB ở các trạng thái khác nhau. Luận văn tập trung nghiên cứu ba vấn đề sau: 1/ Tìm hiểu phương pháp mô phỏng TKHP, ĐLHPT và phương pháp phân tích vi cấu trúc vật liệu. 2/ Xây dựng hạt nano FeB chứa 5000 nguyên tử ở nhiệt độ từ 200K đến 1500K và áp suất phòng. 3/ Khảo sát cấu trúc và cơ chế hình thành pha tinh thể và thủy tinh trong FeB. 5. Đóng góp của luận văn Kết quả của luận văn có những đóng góp: i/ Cho thấy các thông tin về đặc trưng vi cấu trúc hạt nano FeB ở các trạng thái tinh thể và thủy tinh. ii/ Cung cấp những hiểu biết về cơ chế hình thành pha tinh thể và thủy tinh trong hạt nano FeB. 8 6. Cấu trúc của đề tài Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu đối với hạt nano, về các tính chất khác thường của hạt nano và phương pháp chế tạo vật liệu nano. Tiếp theo trình bày tổng quan về các phương pháp mô phỏng và lý thuyết cổ điển về mầm và sự phát triển mẩm. Chương 2. Phương pháp nghiên cứu, trình bày phương pháp xây dựng mô hình TKHP, ĐLHPT với thế tương tác cặp Pak-Doyama. Kỹ thuật tính toán các đặc trưng cấu trúc như: HPBXT và phân bố SPT, phương pháp xác định mầm tinh thể, ĐVCT trong hạt nano và cách dựng mẫu trong mô phỏng. Chương 3. trình bày các kết quả và những thảo luận về đặc trưng vi cấu trúc của hạt nano ở các điều kiện khác nhau. Khảo sát ảnh hưởng của nguyên tử B và nhiệt độ đến cấu trúc hạt nano. Cuối cùng trình bày kết quả nghiên cứu về cơ chế hình thành pha tinh thể và thủy tinh trong FeB. 9 Chương 1 TỔNG QUAN Vật liệu nano là một trong những vấn đề thời sự được sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học trong giai đoạn hiện nay, đó là do các tính chất thú vị của vật liệu nano và những ứng dụng quan trọng của nó. Trong chương này chúng tôi trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu đối với vật liệu nano, về các tính chất khác thường của hạt nano và những ứng dụng quan trọng của hạt nano. Sau đó trình bày tổng quan về các phương pháp mô phỏng. 1.1. Vật liệu nano Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét. Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt , các sợi, các ống, các tấm mỏng, … có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 𝑛𝑚 đến vài trăm 𝑛𝑚. Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số công trình khoa học, số các phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano tăng theo cấp số mũ. Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Đó là do các tính chất thú vị của vật liệu nano và những ứng dụng quan trọng của nó. 10 1.1.1. Tính chất của hạt nano Hạt nano có các tính chất đặc trưng như tính chất quang, tính chất điện, tính chất từ và tính chất nhiệt nên nó được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực của đời sống. Tính chất của hạt nano bắt nguồn từ kích thước của chúng vào cỡ nanômét, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường, điều này làm cho vật liệu nano có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano: Hiệu ứng bề mặt: Cùng một khối lượng nhưng khi ở kích thước nano chúng có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi chúng ở dạng khối. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao. Điều này, có ý nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan tới khả năng tiếp xúc bề mặt của vật liệu, như trong các ứng dụng vật liệu nano làm chất diệt khuẩn. Đây là một tính chất quan trọng làm nên sự khác biệt của vật liệu có kích thước nanomet so với vật liệu ở dạng khối. Kích thước tới hạn: Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật giữ nguyên các tính chất về vật lý, hóa học khi ở dạng khối. Nếu kích thước vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được (400 - 700 nm), theo Mie hiện tượng "cộng hưởng plasmon bề mặt" xảy ra và ánh sáng quan sát được sẽ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Hay như tính dẫn điện của vật liệu khi tới kích thước tới hạn thì không tuân theo định luật Ohm nữa. Mà lúc này điện 11 trở của chúng sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Mỗi vật liệu đều có những kích thước tới hạn khác nhau và bản thân trong một vật liệu cũng có nhiều kích thước tới hạn ứng với các tính chất khác nhau của chúng. Bởi vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ nghiên cứu là gì. Chính nhờ những tính chất lý thú của vật liệu ở kích thước tới hạn nên công nghệ nano có ý nghĩa quan trọng và thu hút được sự chú ý đặc biệt của các nhà nghiên cứu. 1.1.2. Một số ứng dụng của hạt nano Hạt nano có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực đời sống, chẳng hạn như: Trong lĩnh vực y học: y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, hạt nano được sử dụng để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên cơ thể. Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn. Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học và có tác động lên con người y hệt như kháng thể, tức là chúng có thể lập trình để truy diệt tế bào ung thư. Các chất liệu từ công nghệ nano có thể hỗ trợ việc chẩn đoán bệnh tật hay khảo sát cơ thể, bằng cách gắn những chuỗi DNA vào những hạt nano có khả năng cảm thụ đặc tính sinh học của tế bào và gửi tín hiệu ra bên ngoài. Những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú, tập trung tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con người có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời… Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại căn bênh ung thư quái ác. Ngay cả những căn bênh ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào. 12 Trong lĩnh vực sinh học: như đã nói, vật liệu nano chỉ có tính chất thú vị khi kích thước của nó so sánh được với các độ dài tới hạn của tính chất và đối tượng ta nghiên cứu. Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài). Với kích thước nhỏ bé cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus. Ứng dụng của vật liệu từ nano trong sinh học thì có rất nhiều, đặc biệt phải kể đến là những ứng dụng đang được nghiên cứu sôi nổi và có triển vọng phát triển đó là phân tách tế bào (magnetic cell separation), dẫn truyền thuốc (drug delivery), thân nhiệt cao cục bộ (hyperthermia), tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement). Vật liệu nano dùng trong các trường hợp này là các hạt nano. Trong công nghiệp: những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn, hay trong các thiết bị dân dụng trong gia đình như máy giặt, điều hòa… đều sử dụng màng nano bạc để diệt khuẩn. Ngoài ra hạt nano còn có mặt trong một số những lĩnh vực khác của đời sống con người như: trong may mặc, người ta đã sử dụng các hạt nano bạc để tạo ra những loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo; hay trong ngành công nghiệp thực phẩm công nghệ nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn, … Với những ứng dụng quan trọng của nó, giới khoa học đều dự báo, trong tương lai không xa, công nghệ nano sẽ chiếm lĩnh hầu hết các lĩnh vực khoa học chủ đạo của con người. 1.1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu nano Có hai phương pháp chính chế tạo vật liệu nano: phương pháp từ dưới lên, là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau và 13 phương pháp từ trên xuống, là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano kim loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,... thì phương pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au. Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano. Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơn nhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương pháp này. Các vật liệu nano có thể thu được bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể được áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi. Phương pháp hóa ướt: Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao. Phương pháp cơ học: Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thể 14 đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại. Phương pháp bốc bay: Gồm các phương pháp quang khắc, bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại. Phương pháp hình thành từ pha khí: Gồm các phương pháp nhiệt phân, nổ điện, đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 90000C. Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon (fullerene) hoặc ống carbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo mang tính thương mại. 1.2. Mô phỏng 1.2.1. Tổng quan về các phương pháp mô phỏng Mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật. 15 Ta có thể thực hiện việc mô phỏng từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô hình bằng gỗ, gạch, sắt …) hay hiện đại hơn là dùng máy tính điện tử (MPMT). Tất cả các kỹ thuật sử dụng máy tính để nghiên cứu, khảo sát các đối tượng, quá trình vật lý xảy ra được gọi là mô phỏng hay mô hình hóa trong vật lý. Các đối tượng và các quá trình mà chúng ta quan tâm được gọi là các hệ vật lý. Khi mô phỏng chúng ta phải xây dựng một tập hợp các giả thiết để mô tả hoạt động của hệ thống. Các giả thiết này bao gồm các mối quan hệ logic, các công thức toán học. Chúng cho phép xây dựng nên các mô hình trợ giúp cho việc khảo sát hệ thống và các quá trình vật lý xảy ra trên nó. Nếu mô hình phức tạp chúng ta giải quyết vấn đề với sự trợ giúp của thí nghiệm số hay phương pháp mô phỏng. Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng được thể hiện trong sơ đồ sau: Nhìn vào sơ đồ trên ta thấy rằng để nghiên cứu hệ thống thực ta phải tiến hành mô hình hóa tức là xây dựng mô hình mô phỏng. Khi có mô hình mô phỏng sẽ tiến hành làm các thực nghiệm trên mô hình để thu được các kết quả mô phỏng. Thông thường kết quả mô phỏng có tính trừu tượng của toán học nên phải thông qua xử lý mới thu được các thông tin kết luận về hệ thống thực. Sau đó dùng các thông tin và kết luận trên để hiệu chỉnh hệ thực theo mục đích nghiên cứu đã đề ra. 16 Các dạng mô phỏng bao gồm: Mô phỏng động (thời gian đóng vai trò quan trọng đối với thực nghiệm mô phỏng); Mô phỏng tĩnh (không có biến thời gian); Mô phỏng xác định (các sự kiện xảy ra trong thực nghiệm mô phỏng theo một quy luật xác định, chính xác không có yếu tố ngẫu nhiên); Mô phỏng ngẫu nhiên (có yếu tố ngẫu nhiên); Mô phỏng liên tục (các sự kiện xảy ra trong thời gian liên tục); Mô phỏng gián đoạn (số lượng thời gian xác định). 1.2.2. Các phương pháp mô phỏng Mô phỏng cho phép xây dựng các mẫu vật liệu ở dạng mô hình và khảo sát các tính chất vật lý của chúng. Bản chất của quá trình này là mô phỏng lại quá trình nghiên cứu vật liệu tại các phòng thực nghiệm. Các phương pháp mô phỏng thường sử dụng như: Nguyên lý ban đầu (NLBĐ), Monte Carlo (MC), Động lực học phân tử (ĐLHPT) [2]. Trong đó phương pháp NLBĐ dựa trên việc giải hệ phương trình Schrodinger cho hệ nhiều điện tử và không sử dụng bất cứ một thông số thực nghiệm nào. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là chỉ có thể áp dụng cho các hệ nhỏ chứa từ vài chục đến vài trăm nguyên tử. Trong phương pháp MC, việc tính toán là chuyển đổi cùng một lúc vị trí của các nguyên tử theo thống kê Boltzmann. Đối với phương pháp ĐLHPT, các tính toán được thực hiện trên cơ sở phương trình chuyển động Newton cho các nguyên tử. Phương pháp này cho phép theo dõi chuyển động của một tập hợp các nguyên tử theo thời gian và có thể xác định ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất đến các tính chất hoá lý của chúng. Một số tính chất vật lý như cấu trúc địa phương, các tính chất nhiệt động, tính chất khuếch tán ... có thể được khảo sát bằng phương pháp ĐLHPT. Tuy nhiên giá trị của các mô hình này là dự báo nhiều hiện tượng thú vị, có tính chất định hướng và dẫn đến nhiều nghiên cứu bằng các phương pháp khác, chẳng hạn luận văn đã cho thấy có sự chuyển pha VĐH sang pha tinh thể khi ủ hạt nano ở các nhiệt độ khác nhau. 17