THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN  CỨU

1. Thông tin chung

• Tên đề tài: Nghiên cứu vi cấu trúc và tính chất nhiệt động trên các hạt nano kim loại bằng phương pháp mô phỏng
• Mã số: ĐH2017-TN04-06
• Chủ nhiệm đề tài: ThS. Giáp Thị Thùy Trang
• Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên
• Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ tháng 1 năm 2017 đến tháng 12 năm 2018)

2. Mục tiêu

• Xây dựng và phân tích được cấu trúc các hạt nano kim loại Fe và Fe_xB_100-x thông qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), phân bố số phối trí (SPT), sử dụng trực quan hóa 3 chiều và khảo sát số lượng các loại đơn vị cấu trúc và mầm nano tinh thể.
• Cố gắng đưa ra được cơ sở lý thuyết để có thể giải thích thỏa đáng về vi cấu trúc, và một số tính chất nhiệt động trên các hạt nano kim loại.

3. Tính mới và sáng tạo

• Nghiên cứu đã chỉ ra sự lớn lên của đám tinh thể trong quá trình tinh thể hóa bắt nguồn từ sự sắp xếp lại các nguyên tử trong vùng biên giữa pha vô định hình và pha tinh thể và dẫn đến sự giảm năng lượng của hạt nano.
• Khảo sát với hạt nano Fe_xB_100-x nồng độ Bo cao, chúng tôi xét hai mẫu hạt nano Fe₉₀B₁₀ ở nhiệt độ 900 K, kết quả mô phỏng chỉ ra sự tinh thể hóa phụ thuộc mạnh vào cách tạo các hạt nano này. Điều này là do nguyên tử Bo đã cản trở quá trình tinh thể  hạt nano Fe_xB_100-x.

4. Kết quả nghiên cứu

• Bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, chúng tôi đã tạo ra được các hạt nano Fe, Fe-B có dạng hình cầu với thế tương tác cặp Pak - Doyama, lần lượt chứa 10000, 5000 nguyên tử ở các nhiệt độ 300 K và 900 K. Chúng tôi cũng đã khảo sát được những đặc trưng về cấu trúc và tính chất nhiệt động của các hạt nano này.
• Mô phỏng chỉ ra, khi các hạt nano Fe và Fe₉₅B₅ VĐH (nồng độ B nhỏ) được ủ nhiệt trong một thời gian đủ dài (cỡ khoảng 10⁷ bước ĐLHPT) ở nhiệt độ 900 K, thì chúng tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể bcc. Cơ chế tinh thể hóa trong hạt nano diễn ra như sau: (i) Ở giai đoạn đầu các đám tinh thể nhỏ hình thành, phân bố đều khắp trong hạt nano và nhanh chóng bị biến mất; (ii) Sau thời gian ủ đủ dài, các đám tinh thể ổn định đã được tạo ra trong lõi của hạt nano, các đám này phát triển nhanh theo mọi hướng bao phủ lõi và sau đó lan ra gần bề mặt hạt nano. (iii) Khi quá trinh tinh thể hoàn thành, hạt nano tinh thể bao gồm:  phần lõi là tinh thể Fe bcc và phần vỏ có cấu trúc xốp vô định hình.
• Phân tích thế năng trên một nguyên tử của các loại nguyên tử khác nhau với trường hợp đám tinh thể ổn định, chúng tôi thấy rằng, thế năng này giảm dần theo thứ tự sau: Nguyên tử AB → Nguyên tử CB → Nguyên tử CC. Nghĩa là, sự lớn lên của đám tinh thể bắt nguồn từ sự sắp xếp lại các nguyên tử trong vùng biên giữa pha vô định hình và pha tinh thể và dẫn đến sự giảm năng lượng của hạt nano.
• Khảo sát với hạt nano Fe_xB_100-x nồng độ Bo cao, chúng tôi xét hai mẫu hạt nano Fe₉₀B₁₀ ở nhiệt độ 900 K, kết quả mô phỏng chỉ ra sự tinh thể hóa phụ thuộc mạnh vào cách tạo các hạt nano này. Điều này là do nguyên tử Bo đã cản trở quá trình tinh thể  hạt nano Fe_xB_100-x.

5. Sản phẩm

5.1. Sản phẩm khoa học

1. Kien Pham Huu, Trang Giap Thi Thuy, and Hung Pham Khac (2017), “The study of separation of crystal Fe and morphology for FeB nanoparticle: Molecular dynamics simulation”, AIP Advances 7, 045301.
2. G T T Trang, P H Kien, P K Hung (2017), “Study of crystallization mechanisms of Fe nanoparticle”, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 865, 012003.
3. Giáp Thị Thùy Trang, Phonesavath C., Khúc Hùng Việt và Phạm Hữu Kiên (2017), “Mô phỏng sự biến đổi cấu trúc trong hạt nano sắt theo nhiệt độ”, Tạp chí Khoa học & công nghệ, Đại học Thái Nguyên, 172 (12/1) tr. 31-35.

5.2. Sản phẩm đào tạo

Hướng dẫn 02 đề tài NCKH SV đã được đánh giá xuất sắc.

1. Doãn Thị Thu Trang (2017), Tìm hiểu phương pháp tạo hạt nano tinh thể Fe bcc từ hợp kim FeB bằng phương pháp mô phỏng, Đề tài NCKH sinh viên, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên.
2. Nguyễn Thị Linh (2018), Nghiên cứu cấu trúc và quá trình chuyển pha của Nickel bằng phương pháp mô phỏng, Đề tài NCKH sinh viên, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên.

Đề tài là một phần luận án của Nghiên cứu sinh Giáp Thị Thùy Trang (đang thực hiện), Mô phỏng cấu trúc và quá trình chuyển pha của các vật liệu vô định hình, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

5.3. Sản phẩm ứng dụng

Mẫu các hạt nano kim loại và hợp kim Fe, Al, Ni và FeB

1. Mẫu các hạt nano Fe
2. Mẫu các hạt nano Al
3. Mẫu các hạt nano Ni
4. Mẫu các hạt nano FeB

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

Phương thức chuyển giao: Trực tiếp hoặc qua thư điện tử

Địa chỉ ứng dụng: Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên

Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

Đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo:

• Kết quả đề tài cung cấp những thông tin và hiểu biết cần thiết về vi cấu trúc, tính chất nhiệt động trong các hạt nano kim loại.
• Đề tài sẽ cho thấy khả năng ứng dụng của hạt nano trong ứng dụng công nghệ và y học.
• Báo cáo đề tài là tài liệu tham khảo cho học viên cao học ngành vật lý.

Đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ có liên quan

• Mô phỏng có thể cung cấp các số liệu và thông tin dự đoán trước về cấu trúc và các tính chất của hạt nano kim loại cho nhà nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết.
• Kết quả mô phỏng cung cấp số liệu cần thiết về cấu trúc và các cơ chế vật lý xảy ra trong hạt nano kim loại để các nhà nghiên cứu ứng dụng và công nghệ đối chiếu.

Đối với phát triển kinh tế - xã hội

• Kết quả của đề tài góp phần đáng kể thúc đẩy sự đam mê tham gia nghiên cứu và khám phá khoa học của học viên cao học và sinh viên.

Đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu

• Kết quả của đề tài góp phần phát triển khoa học và công nghệ của Nhà trường. Đề tài cũng là một tài liệu tham khảo bổ ích đối với học viên cao học, sinh viên nghiên cứu khoa học và góp phần đáng kể trong định hướng đổi mới giáo dục trong lĩnh vực mô phỏng.

INFORMATION ON RESEARCH  RESULTS

1. General information

• Project title: Study on microstructure and thermodynamic properties of metal nanoparticles by simulation method
• Code number: ĐH2017-TN04-06
• Coordinator: MSc. Giap Thi Thuy Trang
• Tel.: 0280 3856 893; Mobi: 0919.973.117
• E-mai: giapthuytrang@dhsptn.edu.vn
• Implementing Institution: Thainguyen University of Education

2. Objective(s)

• Constructing and analyzing the structure of Fe and FeB nanoparticles through the analysis of radial distribution function, coordination number distribution, using visualization and survey the number of nanocrystalline structure and nucleus units.
• Give a theoretical basis to be able to explain satisfactorily about microstructures, and some thermodynamic properties on metal nanoparticles.

3. Creativeness and innovativeness

• The study has shown that the growth of crystalline clusters in the crystallization process originates from the rearrangement of atoms in the boundary region between the amorphous phase and the crystalline phase and leads to the reduction of particle energy. nano.
• Survey with high concentration of Fe_xB_100-x nanoparticles, we consider two samples of Fe₉₀B₁₀ nanoparticles at 900 K temperature, the simulation results show that the crystallization depends strongly on how to create these nanoparticles. This is because Bo atoms interfere with the Fe_xB_100-x nanoparticle crystal process.

4. Research results

• By molecular dynamics simulation method, we have created Fe, Fe-B nanoparticles with spherical shape with the Pak-Doyama pair potential, which in turn contain 10000, 5000 atoms in the heat 300 K and 900 K. We also investigated the structural and thermodynamic properties of these nanoparticles.
• Simulation shows that when Fe and Fe₉₅B₅ GDH nanoparticles (small B concentration) are annealed for a long enough time (about 10⁷ steps of DLHPT) at 900 K, they crystallize into structure. bcc crystal. The crystallization mechanism in nanoparticles takes place as follows: (i) In the early stages small crystals of crystals formed, evenly distributed throughout the nanoparticles and quickly disappeared; (ii) After a long enough incubation period, stable crystalline clusters were created in the core of the nanoparticle, which grew rapidly in all directions covering the core and then spread to the surface of the nanoparticle. (iii) When the crystal is completed, crystal nanoparticles include: the core part is Fe bcc crystal and the shell has amorphous porous structure.
• Analyzing the potential energy on an atom of different types of atoms with a stable crystal cluster, we find that this potential energy decreases in the following order: AB atom → CB atom → CC atom. That is, the growth of the crystal cluster stems from the rearrangement of atoms in the boundary region between the amorphous phase and the crystal phase and leads to a reduction in the energy of the nanoparticle.
• Survey with high concentration of Fe_xB_100-x nanoparticles, we consider two samples of Fe₉₀B₁₀ nanoparticles at 900 K temperature, the simulation results show that the crystallization depends strongly on how to create these nanoparticles. This is because Bo atoms interfere with the Fe_xB_100-x nanoparticle crystal process.

5. Products

5.1. Science products

1. Kien Pham Huu, Trang Giap Thi Thuy, and Hung Pham Khac (2017), “The study of separation of crystal Fe and morphology for FeB nanoparticle: Molecular dynamics simulation”, AIP Advances 7, 045301.
2. G T T Trang, P H Kien, P K Hung (2017), “Study of crystallization mechanisms of Fe nanoparticle”, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 865, 012003.
3. Giap Thi Thuy Trang, Phonesavath C., Khuc Hung Viet và Pham Huu Kien (2017), “Simulation about structural change in iron nanoparticles depend on temperature”, Journal of science and technology, Thai Nguyen University, 172 (12/1) pp. 31-35.

5.2. Training results

1. Doan Thi Thu Trang (2017), Study of creation Fe bcc crystalline nanoparticles from FeB alloy by simulation method, Student scientific research topic, Thai Nguyen university of education.
2. Nguyen Thi Linh (2018), Study the structure and phase transition of Nickel by simulation method, Student scientific research topic, Thai Nguyen university of education.
3. The Project is part of doctoral thesis which be long to Ph.D Giap Thi Thuy Trang (Processing), Molecular dynamics simulation of microstructure and phase transition of amorphous materials, Hanoi University of science and technology.

5.3. Applied products

Models of Fe, Ni, Al, FeB nanoparticles

1. Model of Fe nanoparticles
2. Model of Al nanoparticles
3. Model of Ni nanoparticles
4. Model of FeB nanoparticles

5. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results

Transfer alternatives: Directly or via email

Application address: University of Education - Thai Nguyen University

Impacts and benefits of research results:

For education and training

• The results of the research provide necessary information and understanding about microstructure, thermodynamic properties in metal nanoparticles.
• The topic will show the applicability of nanoparticles in the application of technology and medicine.
• Report of the topic is a reference for graduate students in physics.

For related fields of science and technology

• Simulation can provide predictable data and information about the structure and properties of metal nanoparticles to experimental and theoretical researchers.
• Simulation results provide necessary data on the structure and physical mechanisms that occur in metal nanoparticles for researchers to apply and contrast technology.

For socio-economic development

• The results of the project significantly contribute to the passion for participation in research and scientific discovery of graduate students and students.

For host organizations and research application establishments

• The results of the project contribute to the development of science and technology of the University. The topic is also a useful reference for graduate students, scientific research students and significantly contributes in the direction of educational innovation in the field of simulation.