بررسی ترمودینامیکی پایداری فازی در آلومینیم نانوساختار با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

مواد نانوکریستال در مقایسه با مواد پلی کریستال درشت دانه ی معمولی، رفتار و ویژگی های منحصربفردی نشان می هند که از آن جمله می توان به ذوب شدن در دماهایی پایین تر اشاره نمود. منشأ اصلی این تفاوت رفتاری با پلی کریستال های درشت دانه، وجود کسر حجمی بالای نواحی مرزدانه ای در مواد نانوکریستال است. از آنجاییکه این نواحی مرزی دارای ساختار و وضعیت های انرژی متفاوت با دانه هستند، بررسی ویژگی های مواد نانوکریستال با استفاده از روابط کلاسیک موجود امکانپذیر نمی باشد. از این رو تحقیق حاضر با بکارگیری مدل های تئوری ترمودینامیکی موجود برای نانوکریستال ها شامل eos، qda و سانگ، به بررسی رفتار پایداری فازی مواد نانوساختار پرداخته است. اما نتایج به دست آمده حاکی از آن است که این مدل ها نمی توانند دمای ذوب مواد نانوکریستال را به طور صحیح پیش بینی نمایند. با وجود اینکه این مدل ها در بررسی ویژگی های ترمودینامیکی مواد نانوکریستال به وفور مورد استفاده قرار گرفته اند، اما تا کنون صحت روابط آنها به لحاظ اصول ترمودینامیکی حاکم بررسی نشده است. از این رو در ادامه اساس ترمودینامیکی روابط مورد بررسی قرار گرفته و عوامل خطا و اشتباهات موجود در این مدل ها شناسایی گردیده است. از جمله مهم ترین این خطاها می توان به فرض نادرست فشار منفی مرزدانه، ناصحیح بودن ترم های وابسته به دما، روابط تئوری مربوط به ظرفیت گرمایی و نیز برخی تقریب های ساده کننده اشاره نمود. وجود این خطاها بیانگر آن است که توصیف رفتار ترمودینامیکی مواد نانوکریستال همچنان به صورت نقطه ای مبهم مستلزم مطالعه و بررسی بیشتر است. از این رو به منظور بررسی رفتار ذوب شدن نانوکریستال های آلومینیم (به عنوان یک نمونه ی فلزی)، روش شبیه سازی دینامیک مولکولی به کار گرفته شده است. نتایج شبیه سازی حاکی از آن است که برای نانوکریستال های با اندازه دانه ی میانگین nm 14 و بالاتر، دمای ذوب ثابت و مشابه با دمای ذوب پلی کریستال درشت دانه می باشد. اما با کاهش اندازه دانه ی میانگین، دمای ذوب به میزان قابل توجهی نسبت به دمای ذوب پلی کریستال درشت دانه کاهش می یابد، به گونه ای که برای نانوکریستال آلومینیم با اندازه دانه ی میانگین nm 2، نقطه ذوب نسبت به نقطه ذوب پلی کریستال درشت دانه حدود 30% کاهش یافته است. علاوه بر این با کاهش بیشتر اندازه دانه به مقادیر حدود سه برابر پارامتر شبکه ی آلومینیم، رفتار ذوب مشابه با فاز آمورف می باشد. همچنین مشاهده شده است که با کاهش اندازه دانه ی نمونه های نانوکریستال، گرمای نهان ذوب نیز کاهش می یابد. از آنجاییکه به نظر می رسد این رفتارها مربوط به کسر حجمی بالای مرزدانه ها در مواد نانوکریستال باشد، با استفاده از روش آنالیز لایه ای اتم ها، اتم های موجود در نواحی مختلف نمونه های نانوکریستال، جداسازی و رفتار ذوب در نواحی مختلف مرزدانه ای به طور مجزا مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که بی نظمی های موجود در نواحی مرزدانه ای منجر به ایجاد ساختار مشابه با مایع در دماهایی پایین تر از دمای ذوب نانوکریستال و در نتیجه پیش ذوب شدن این نواحی گردیده است. تصاویر لحظه ای نمونه ی نانوکریستال شبیه سازی شده در دماهای مختلف نشانگر آن است که بی نظمی های ساختاری در حالت جامد منجر به ذوب موضعی در نواحی مرزی گردیده است. لذا مشخص شده که در مواد نانوساختار، فرایند ذوب شدن ابتدا از نواحی اتصال چهارگانه (یا بالاتر) (vn) و سه گانه (tj) به طور ناپیوسته شروع شده و با گسترش به نواحی اتصال دو گانه (gb)، به داخل دانه ها پیشروی و منجر به ذوب کامل نانوکریستال می گردد. بنابراین چنین استنباط می شود که روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی، به خوبی می توانند به عنوان روش هایی قدرتمند در بررسی رفتار پایداری فازی مواد در مقیاس نانو مورد استفاده قرار گیرند.