بررسی فرآیند نفوذ در نانوکریستال آهن با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

امروزه مواد نانوکریستال به علت خواص مکانیکی و فیزیکی منحصر به فرد خود، مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته اند. علت این خواص متفاوت، اندازه دانه ی بسیار کم این مواد (زیر 100 نانومتر) می باشد که خود باعث ایجاد کسر بالای نواحی مرزدانه ای می شود. حفظ چنین خصوصیاتی در گرو ثابت نگه داشتن اندازه دانه(در مقیاس نانو) این مواد است که به علت وجود فرآیندهایی مثل تنش زدایی، مهاجرت مرزدانه و رشد دانه تحت تاثیر قرار می گیرد. از طرفی نفوذ در خود به عنوان عاملی اثرگذار در این تحولات ساختاری شناخته شده است. از اینرو درک صحیح از نفوذ در خود می تواند در حفظ خصوصیات این-گونه مواد راهگشا باشد. بدلیل مشکلات فراوان بررسی آزمایشگاهی این فرآیند، لزوم بکارگیری روش های شبیه سازی احساس می شود. لذا در این پژوهش از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی جهت بررسی نفوذ در خود در نانوکریستال آهن استفاده شده است. بدلیل مشکلات فراوان جداسازی قسمت های مختلف نانوکریستال و نیز تحولات ساختاری حین بررسی فرآیند نفوذ، تلاش های محدودی در شبیه سازی نانوکریستال حاوی دانه هایی با اندازه ی واقعی صورت گرفته است. همچنین به دلیل تفاوت ماهیتی فرآیند نفوذ در قسمت های مختلف مرزدانه مانند نواحی برخورد سه گانه و چهارگانه، لزوم بررسی دقیق این نواحی در نانوکریستال با ابعاد واقعی احساس می شود. در این پژوهش با ارائه روشی برای جداسازی قسمت های مختلف نانوکریستال و نیز استفاده از تمهیداتی جهت حداقل کردن اثرات تغییرات ساختاری، ضریب نفوذ برای این قسمت ها در دماها و اندازه دانه های مختلف محاسبه گردید. همچنین با استفاده از ضرایب نفوذ در دماهای مختلف، انرژی فعالسازی و پیش فاکتور نفوذ برای قسمت-های مختلف نانوکریستال آهن محاسبه گردید. بر این اساس مشخص شد ضریب نفوذ در دانه مقادیر کمتری را نسبت به کل نانوکریستال و مرزدانه دارد. همین طور ضریب نفوذ در مرزدانه مقادیر کمتری نسبت به ضریب نفوذ در خطوط برخورد سه گانه در دماها واندازه دانه های مختلف دارد. با تغییر اندازه دانه، ضریب نفوذ اجزای مرزدانه تغییر محسوسی ندارند اما مقادیر مربوط به دانه و کل نانوکریستال با افزایش اندازه دانه کاهش می یابند. انرژی فعالسازی و پیش فاکتور نفوذ وابسته به جزء مورد بررسی رفتار متفاوتی دارند. به طوری که قسمت های مختلف مرزدانه انرژی فعالسازی تقریبا مشابهی دارند اما پیش فاکتور نفوذی در نقاط برخورد سه گانه مقادیر بالاتری را داراست. در اجزای مختلف نانوکریستال، با افزایش اندازه دانه انرژی فعالسازی و پیش فاکتور نفوذی افزایش می یابند. جهت علت یابی تغییرات انرژی فعالسازی، توزیع حجم در قسمت های مختلف نانوکریستال مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید ارتباط مستقیمی بین حجم اضافی و انرژی فعالسازی نفوذ وجود دارد. در نهایت مشخص گردید به دلیل کسر بالای نواحی مرز دانه ای در نانوکریستال آهن، انرژی فعالسازی نفوذ در خود در این مواد، پایین تر از پلی کریستال درشت دانه ی است و این فرآیند در این گونه مواد با سرعت بسیار بالاتری اتفاق می افتد.