Mô phỏng cấu trúc hạt nano Ni dưới quá trình nguội nhanh bằng mô phỏng động lực học phân tử

Tóm tắt: Các hạt nano Ni chứa từ 256 đến 4000 nguyên tử được mô phỏng bằng

phương pháp động lực học phân tử với thế nhúng Sutton-Chen. Các mẫu hạt nano

Ni có cấu trúc tinh thể lí tưởng được nung nóng đến 2000 K rồi làm lạnh xuống tới

300 K với các tốc độ làm lạnh 21014 K/s, 41013 K/s và 41012 K/s. Với tốc độ làm

lạnh nhanh 21014 K/s và hạt nano Ni có kích thước nhỏ, cấu trúc hạt nano là vô

định hình tại nhiệt độ 300 K. Với tốc độ chậm hơn, các mẫu hạt nano Ni có cấu

trúc trộn lẫn giữa tinh thể fcc, hcp và vô định hình. Mẫu hạt nano có cấu trúc tinh

thể, các nguyên tử tinh thể fcc và hcp liên kết tạo thành đám tinh thể. Các nguyên

tử thuộc cấu trúc tinh thể có thể được chia ra làm tinh thể lõi và vỏ. Các nguyên tử

fcc và hcp lõi có thế năng thấp nhất rồi đến các nguyên tử fcc và hcp vỏ, và các

nguyên tử vô định hình có thế năng lớn nhất. Lớp ngoài cùng của các mẫu hạt

nano Ni hầu hết là các nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ và vô định hình. Dựa trên động lực

học, kết quả mô phỏng trong công trình này đã chỉ ra một số tính chất cấu trúc của

nano Ni trong quá trình làm nguội nhanh.

pdf9 trang | Chuyên mục: Khoa Học Vật Liệu | Chia sẻ: yen2110 | Lượt xem: 274 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt nội dung Mô phỏng cấu trúc hạt nano Ni dưới quá trình nguội nhanh bằng mô phỏng động lực học phân tử, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
thấy các nguyên tử fcc và hcp trong 
các mẫu hạt nano Ni được thực hiện bằng cả mô phỏng [17] và thực nghiệm [10]. 
Như vậy, bằng việc điều khiển tốc độ làm lạnh khác nhau chúng ta có thể tạo nên 
các hạt nano Ni có cấu trúc nguyên tử khác nhau. Để tạo hạt nano Ni có cấu trúc 
VĐH thì kích cỡ hạt phải nhỏ và tốc độ làm lạnh lớn, cụ thể ở đây là mẫu hạt nano 
M1 (256 nguyên tử) và tốc độ làm lạnh lơn hơn =41013 K/s, còn không ta sẽ 
nhận được các mẫu hạt nano có cấu trúc nguyên tử fcc, hcp và VĐH. 
Bảng 1. Bán kính hạt nano, tỉ lệ nguyên tử tinh thể và VĐH trong hạt nano 
tại 300 K phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh . 
Mẫu  (K/s) R(Å) 
Tỉ lệ 
fcc lõi fcc vỏ hcp lõi hcp vỏ VĐH 
M1 21014 10,02 0 0 0 0 1 
41013 10,00 0 0 0 0 1 
41012 9,97 0,020 0,121 0,098 0,387 0,375 
M2 21014 14,51 0 0 0,001 0,014 0,970 
41013 14,48 0,008 0,065 0,020 0,087 0,821 
41012 14,41 0,138 0,331 0,161 0,161 0,209 
M3 21014 16,73 0,003 0,030 0,004 0,034 0,913 
41013 16,68 0,013 0,075 0,022 0,105 0,776 
41012 16,64 0,238 0,357 0,198 0,120 0,088 
M4 21014 21,23 0,002 0,019 0,005 0,047 0,922 
41013 21,16 0,010 0,050 0,014 0,090 0,833 
41012 21,08 0,229 0,355 0,222 0,131 0,063 
M5 21014 23,44 0,001 0,010 0,001 0,009 0,979 
41013 23,40 0,004 0,035 0,010 0,087 0,866 
41012 23,26 0,355 0,296 0,206 0,086 0,056 
Khối 21014 - 0 0 0,001 0,006 0,994 
41013 - 0,003 0,028 0,005 0,046 0,919 
41012 - 0,189 0,342 0,223 0,161 0,082 
Trên hình 4 là tinh thể fcc và hcp của các mẫu hạt nano Ni M1-M5 được làm 
lạnh với tốc độ =41012 K/s. Ở đây ta dễ dàng quan sát thấy rằng các tinh thể fcc 
và hcp của các hạt nano Ni liên kết với nhau tạo thành đám (cluster) tinh thể. Các 
nguyên tử thuộc fcc và hcp vỏ có xu hướng ở bề mặt ngoài của đám tinh thể. Ta 
biết rằng các khối nguyên tử càng bền vững khi thế năng của khối nguyên tử càng 
đạt giá trị thấp hơn. Trên hình 5 là thế năng trung bình trên mỗi nguyên tử của các 
tinh thể fcc, hcp và VĐH của mẫu hạt nano Ni M5 tại 300 K với tốc độ làm lạnh 
=41012 K/s. Rõ ràng, các nguyên tử thuộc tinh thể fcc và hcp lõi có thế năng 
thấp nhất, và thế năng của nguyên tử thuộc hai tinh thể lõi này là tương đương 
nhau. Điều này cũng lí giải tại sao hạt nano Ni đồng thời tồn tại hai pha tinh thể fcc 
và hcp với số lượng nguyên tử gần tương đương nhau (xem trên bảng 1). Ở đây, 
thế năng cao nhất là của các nguyên tử VĐH, tiếp đến là nguyên tử thuộc hcp vỏ 
và fcc vỏ. Để xem các vị trí của các nguyên tử fcc, hcp và VĐH từ tâm hạt nano ra 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 10 - 2014 117
tới bên ngoài ta làm như sau: từ điểm khối tâm của hạt nano, ta chia hạt nano thành 
các lớp cầu có bề dày 5 Å và thống kê các nguyên tử ở mỗi lớp thuộc tinh thể fcc, 
hcp hoặc VĐH. Trên bảng 2 là thống kê các nguyên tử của mỗi lớp thuộc thuộc 
tinh thể fcc, hcp hoặc VĐH của mẫu M5. Ta nhận thấy rằng, ngay ở lớp trong cùng 
(lớp 1) vẫn tồn tại các nguyên tử thuộc fcc vỏ, hcp vỏ nhưng không thấy nguyên tử 
VĐH nào. Lớp thứ 2 thấy xuất hiện 2 nguyên tử VĐH và các nguyên tử thuộc fcc 
vỏ, hcp vỏ tăng lên. Ở lớp ngoài cùng (lớp 5) số nguyên tử VĐH và các nguyên tử 
thuộc fcc vỏ, hcp vỏ đạt số lượng lớn nhất. Như vậy, lớp ngoài cùng của hạt nano 
Ni chủ yếu là các nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ và VĐH. 
Hình 4. Tinh thể fcc và hcp của các hạt nano Ni với tốc độ làm lạnh 
=41012 K/s: a) M1, b) M2, c) M3, d) M4 và e) M5. 
Hình 5. Năng lượng trung bình trên một nguyên tử của các nguyên tử fcc, 
hcp và VĐH của mẫu M5 tại 300 K với tốc độ làm lạnh =41012 K/s. 
Bảng 2. Thống kê nguyên tử các lớp thuộc tinh thể fcc, hcp và VĐH của mẫu 
M5 tại 300 K và tốc độ làm lạnh =41012 K/s. 
Lớp 
Số nguyên tử 
fcc lõi fcc vỏ hcp lõi hcp vỏ VĐH 
1 21 16 8 4 0 
2 135 64 105 22 2 
3 441 135 269 36 18 
4 790 359 424 91 86 
5 34 610 19 192 119 
4. KẾT LUẬN 
 Các mẫu hạt nano Ni được tạo ra bằng phương pháp ĐLHPT với tốc độ làm 
lạnh =21014 K/s, =41013K/s và =41012 K/s. Các hạt nano Ni có kích thước 
từ 2 đến 5.2 nm. Cấu trúc của các hạt nano Ni tại 300 K phụ thuộc vào tốc độ làm 
lạnh và số nguyên tử (kích thước) của hạt nano. Với tốc độ làm lạnh =21014 K/s, 
các mẫu hạt nano Ni có cấu trúc nguyên tử hầu hết là VĐH. Với tốc độ làm lạnh 
Vật lý 
L. V. Long, L. V. Vinh, H. Q. Quý, “Mô phỏng cấu trục hạt nano Ni  phân tử.” 118 
=41013 K/s, các hạt nano Ni có một phần nhỏ các nguyên tử thuộc tinh thể fcc 
và hcp, và phần lớn các nguyên tử có cấu trúc VĐH. Với tốc độ làm lạnh =41013 
K/s, các hạt nano Ni có cấu trúc nguyên tử hầu hết là tinh thể fcc và hcp. Các 
nguyên tử tinh thể fcc và hcp liên kết tạo thành đám tinh thể trong các hạt nano Ni. 
Các nguyên tử fcc và hcp lõi có thế năng thấp nhất rồi đến các nguyên tử fcc và 
hcp vỏ. Các nguyên tử VĐH có thế năng lớn nhất. Lớp ngoài cùng của hạt nano Ni 
chủ yếu là các nguyên tử fcc vỏ, hcp vỏ và VĐH. 
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia 
(Nafosted) với mã số đề tài 103.05-2013.68. 
Tµi liÖu tham kh¶o 
[1]. C.J. Wang, M. Shim, P. Guyot-Sionnest, “Electrochromic nanocrystal 
quantum dots,” Science 291 (2001) 2390. 
[2]. M. Shim, P. Guyot-Sionnest, “n-type colloidal semiconductor nanocrystals,” 
Nature 407 (2000) 981. 
[3]. A.L. Wang, H.B. Yin, H.H. Lu, J.J. Xue, M. Ren, T.S. Jiang, “Structure of 
nickel nanoparticles and catalytic activity in the hydrogenation of p- 
nitrophenol to p-aminophenol,” Langmuir 25 (2009) 12736. 
[4]. V.I. Klimov, A.A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J.A. Hollingsworth, C.A. 
Leatherdale, H.J. Eisler, M.G. Bawendi, “Optical Gain and Stimulated 
Emission in Nanocrystal Quantum Dot,” Science 290 (2000) 314. 
[5]. R. Xu, T. Xie, Y. Zhao, Y. Li, “Quasi-homogeneous catalytic hydrogenation 
over monodisperse nickel and cobalt nanoparticles,” Nanotechnology 18 
(2007) 055602. 
[6]. D. P. Wang, D. B. Sun, H. Y. Yu, Z. G. Qiu, H. M. Meng, “Preparation of 
one-dimensional nickel nanowires by self-assembly process,” Mater. Chem. 
Phys. 113 (2009) 227. 
[7]. C. Zeng, C. Wang, F. Wang, Y. Zhang, L. Zhang, „A novel vapor–liquid 
segmented flow based on solvent partial vaporization in microstructured 
reactor for continuous synthesis of nickel nanoparticles,” Chem. Eng. J. 204–
206 (2012) 48. 
[8]. X. Phung, J. Groza, E. A. Stach, L. N. Williams, S. B. Ritchey, “ Surface 
characterization of metal nanoparticles,” Mater. Eng. A 359 (2003) 261. 
[9]. X. He, H. Shi, “Size and shape effects on magnetic properties of Ni 
nanoparticles,” Particuology 10 (2012) 497. 
[10]. S. Mourdikoudis et al., “Controlling the crystal structure of Ni nanoparticles 
by the use of alkylamines,” J. Magnet. Magnet. Mater. 321 (2009) 2723. 
[11]. Y. Qi, T. Cagin, W. L. Johnson, W. A. Goddard, “Melting and crystallization 
in Ni nanoclusters: The mesoscale regime,” J. Chem. Phys. 115 (2001) 385, 
[12]. E. C. Neyts, A. Bogaerts, “Numerical Study of the Size-Dependent Melting 
Mechanisms of Nickel Nanoclusters,” J. Phys. Chem. C 113 (2009) 2771. 
[13]. Y. Y. Gafner, S. L. Gafner, P. Entel, “Formation of an Icosahedral Structure 
during Crystallization of Nickel Nanoclusters,” Phys. Solid State 46 (2004) 
1327. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 10 - 2014 119
[14]. R. Meyer, J. J. Gafner, S. L. Gafner, S. Stappert, B. Rellinghaus, P. Entel, 
„Computer simulations of the condensation of nanoparticles from the gas 
phase,” Phase Trans. 78 (2005) 35. 
[15]. Z. Zhang, W. Hu, S. Xiao, „Melting, melting competition, and structural 
transitions between shell-closed icosahedral and octahedral nickel 
nanoclusters,” Phys. Rev. B 73 (2006) 125443. 
[16]. A. V. Yakubovich, G. Sushko, S. Schramm, A. V. Solovyov, „Kinetics of 
liquid-solid phase transition in large nickel clusters,” Phys. Rev. B 88 (2013) 
035438. 
[17]. H. Akbarzadeh, F. Taherkhani, „Cluster size dependence of surface energy of 
Ni nanoclusters: A molecular dynamics study,” Chem. Phys. Lett. 558 (2013) 
57. 
[18]. A.P. Sutton, J. Chen, „Long-range Finnis-Sinclair potentials,” Philos. Mag. 
Lett. 61 (1990) 139. 
[19]. T. Cagin, G. Dereli, M. Uludogan, and M. Tomak, “Thermal and mechanical 
properties of some fcc transition metals,” Phys. Rev. B 59 (1999) 3468. 
[20]. H. Tsuzuki, P. S. Branicio, J. P. Rino, “Structural characterization of 
deformed crystals by analysis of common atomic neighborhood,” Comput. 
Phys. Comm. 177 (2007) 518. 
[21]. S.-J. Zhao, K. Albe, H. Hahn, “Grain size dependence of the bulk modulus of 
nanocrystalline nickel,” Scripta Mater. 55 (2006) 473. 
Abstract 
Simulation of structure of Ni nanoparticles under 
cooling process by molecular dynamics 
Nickel nanoparticles contained from 256 to 4000 atoms have been 
simulated by molecular dynamics with the Sutton-Chen potential. The 
samples of crystalline Ni nanoparticles have been heated to the temperature 
of 2000 K and then cooled down to 300 with the different cooling rates of 
21014, 41013 and 41012 K/s. With the cooling rate of 21014 K/s and 
small size, the structure of Ni nanoparticles is amorphous at the 
temperature of 300 K. With the lower cooling rate, the structure of Ni 
nanoparticles is a mix of crystalline fcc, hcp and amorphous. The crystalline 
fcc links to hcp to form a crystalline cluster. The atoms of crystals can be 
divided into crystalline shell and core. The fcc and hcp cores have lowest 
energy, and then fcc and hcp shells have middle energy. The amorphous 
atoms have highest energy. The outer layer of Ni nanopartiles contains 
mostly fcc shell, hcp shell and amorphous atoms. 
Keywords: Simulation, Nanoparticle, Crystalline. 
Nhận bài ngày 27 tháng 09 năm 2014 
Hoàn thiện ngày 14 tháng 11 năm 2014 
Chấp nhận đăng ngáy 05 tháng 12 năm 2014 
§Þa chØ: * Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga, longpk2005@gmail.com; 
 ** Đại học Bách khoa Hà Nội 
 *** Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. 

File đính kèm:

  • pdfmo_phong_cau_truc_hat_nano_ni_duoi_qua_trinh_nguoi_nhanh_ban.pdf
Tài liệu liên quan