بررسی ترمودینامیکی رشد دانه در ساختار نانوکریستالی فلزات به همراه شبیه سازی های اتمی

در سال های اخیر اهمیت موضوع نانوکریستال ها در حدی بوده است که توجه اغلب محققین را به خود جلب کرده است. علت این امر خواص منحصر بفردی است که در نانوکریستال ها نسبت به مواد متعارف مشاهده می شود. منشا اصلی ویژگی ها و خواص بسیار مناسب مواد نانوکریستال، وجود حجم بالای مرز دانه در این مواد و انرژی درونی بالای حاصل از آن است. از طرف دیگر همین عامل باعث می شود این مواد پایداری خوبی حتی در دماهای معمولی نداشته باشند و با رشد دانه، انرژی سیستم را کاهش دهند. به همین دلیل، بررسی فرایند رشد دانه از منظر ترمودینامیکی و تحقیق در مورد نحوه جلوگیری از این فرایند و پایدارسازی نانوکریستال ها به منظور حفظ خواص منحصربفرد آن ها، از اهمیت بالایی برخوردار است. در این تحقیق، برای مطالعه فرایند رشد دانه در مواد نانوکریستال، از مدل کریستال منبسط شده برای بدست آوردن پارامترهای ترمودینامیکی مرزدانه استفاده گردید. سپس با استفاده از روش های معادله حالت (eos)، تقریب شبه هارمونیک دبای (qda) و مدل سانگ، انرژی آزاد قسمت مرز دانه بر حسب پارامتر حجم اضافی محاسبه شد. با رسم نمودارها بر اساس مدل های eos و سانگ مشخص شد که با کاهش زیاد اندازه دانه و عبور از یک مقدار بحرانی، نانوکریستال به یک حالت شبه پایدار می رسد و رشد دانه متوقف می گردد. اما بر اساس مدل qda امکان توقف رشد دانه وجود نداشت. برای ارزیابی این نتایج از روش های شبیه سازی اتمی مونت کارلو و دینامیک مولکولی استفاده گردید. نتایج هر دو شبیه سازی، پیش بینی مدل های eos و سانگ را تایید و نتایج حاصل از مدل qda را رد کردند. در ادامه، اثر دما بر منحنی های مذکور مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد افزایش دما مقدار اندازه دانه بحرانی را افزایش داده و توقف رشد دانه را تسهیل می کند. نتایج شبیه سازی های بعدی نیز علاوه بر تایید این روند، نشان دادند مدل eos پیش بینی های دقیق تری در مقایسه با مدل سانگ دارد. سپس به کمک شبیه سازی، دماهای بحرانی برای توقف رشد دانه در هر اندازه دانه در نانوکریستال پالادیم استخراج شد. همچنین با مقایسه این نتایج با نتایج حاصل از مدل eos، یک رابطه اصلاحی برای ارتباط بین پارامتر حجم اضافی بحرانی و اندازه دانه بحرانی ارائه گردید. همچنین برای اطمینان از نتایج به دست آمده در شبیه سازی های انجام شده، شبیه سازی در پلی کریستال نیز با دو روش متفاوت صورت گرفت که نتایج نشان داد روش مفروش سازی ورونوی برای ساخت پلی کریستال، در مطالعات مربوط به رشد دانه نتایج درستی ارائه نمی دهد، در صورتی که روش رشد از حالت مذاب نتایجی منطبق با نتایج قبلی دارد. در نهایت، رشد دانه در پلی کریستال آهن شبیه سازی شده و مشخص گردید نتایج به دست آمده در مورد پالادیم، برای آهن نیز صادق هستند.