بررسی ترمودینامیکی استحاله های آلوتروپیک در نانوکریستال های فلزی و شبیه سازی دینامیک مولکولی آن

نانوکریستال ها دسته ای از مواد پلی کریستال هستند که اندازه دانه در آن ها کمتر از 100 نانومتر است. به دلیل کوچک شدن اندازه دانه ها در این مواد، کسر اتم های مربوط به مرزدانه ها در مقایسه با پلی کریستال های معمولی به شدت افزایش می یابد. این افزایش در کسر اتمی، سبب ایجاد خواص منحصر به فردی در این دسته از مواد می شود، به طوری که خواص مکانیکی، فیزیکی و ترمودینامیکی این مواد با پلی کریستال های معمولی متفاوت است. خواص ترمودینامیکی یکی از خواص مورد بحث در مواد نانوکریستال است که توجه محققان مختلفی را به خود جلب نموده است. بررسی های انجام شده نشان می دهد که ترمودینامیک کلاسیک، قابلیت توجیه رفتارهای ترمودینامیکی غیرمعمول موجود در نانوکریستال ها را ندارد. برای مثال، افزایش ظرفیت گرمایی ویژه و یا کاهش دمای ذوب و دمای استحاله های آلوتروپیک را نمی تواند پیش بینی نماید. در این تحقیق، برای مطالعه خواص ترمودینامیکی مواد نانوکریستال، دمای استحاله آلوتروپیک عناصر فلزی مورد بررسی قرار گرفت. به همین منظور از مدل کریستال منبسط شده برای بدست آوردن پارامترهای ترمودینامیکی مرزدانه استفاده گردید. سپس با استفاده از روش های معادله حالت (eos) و تقریب دبای شبه هارمونیک (qda)، انرژی آزاد قسمت مرز بر حسب پارامتر حجم اضافی محاسبه شد. نتایج محاسبات نشان داد که روش های مذکور، در دماهای بالا (نزدیک به دمای انجام استحاله) دارای عدم دقت هستند. جهت رفع این مشکل، پارامتر اختلاف انرژی آزاد اضافی برای مرزدانه معرفی گردید و روش های مذکور اصلاح گردیدند. در ادامه با استفاده از این روش ها و فرضیات موجود برای قسمت مرز، تغییرات دمای استحاله در نانوکریستال آهن مبتنی بر روش های eos و qda بر حسب دما رسم و مورد مقایسه قرار گرفتند و مشخص گردید که نتایج حاصل از این روش ها از انطباق قابل قبولی برخوردار می باشند. سپس با استفاده از روش معادله حالت اصلاح شده، دمای استحاله آلوتروپیک در عناصر تیتانیوم و زیرکونیوم نیز بر حسب دما بررسی گردید و نتایج مشابه با نتایج حاصله از نانوکریستال آهن، بدست آمد. به دلیل عدم وجود تجهیزات آزمایشگاهی مناسب، از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی برای تایید نتایج بدست آمده استفاده گردید. علاوه بر این، از شبیه سازی دینامیک مولکولی، برای بررسی ساختار مرزدانه در نانوکریستال آهن (جهت پیش بینی دقیق تر ترمودینامیکی) استفاده شد و تغییرات پارامترهای کمی مرز (مانند حجم اضافی و ضخامت مرز) بر حسب اندازه دانه و دما مطالعه شد. نتایج بدست آمده از بررسی ساختار مرز در نانوکریستال آهن نشان داد که مدل کریستال منبسط شده، مدل مناسبی برای مرزدانه در مواد نانوکریستال تعادلی است. در نهایت با استفاده از پارامترهای کمی مرز، فرضیات اولیه اصلاح شده و تغییرات دمای استحاله آلوتروپیک بر حسب دما رسم گردیدند.