Переход простых систем со сферически симметричным потенциалом парного взаимодействия из жидкого в твердое стеклообразное состояние в концепции молекулярной динамики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Парфенов, Алексей Николаевич

• Парфенов, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Парфенов, Алексей Николаевич

Введение

Глава 1. Методы статистической физики и модель возбужденного 8 состояния (обзор литературы)

Введение

1.1. Метод молекулярной динамики

1.1.1. Обоснование метода молекулярной динамики

1.1.2. Алгоритмы молекулярной динамики

1.1.3. Виды моделируемых ансамблей.

1.1.4. Потенциалы взаимодействия в компьютерных 18 экспериментах

1.2. Модель возбужденного состояния и среднеквадратичные 21 смещения атомов

1.2.1. Модель возбужденных атомов

1.2.2. Критерий стеклования

1.2.3. Условие стеклования и критерий плавления Линдемана

1.2.4. Модель возбужденных атомов и флуктуационный объем 28 Выводы к главе

Глава 2. Численный расчет основных теплофизических свойств

Введение

2.1. Радиальная функция распределения

2.2. Скорость звука

2.4. Теплоемкость

2.5. Коэффициент теплового расширения

2.6. Сдвиговая вязкость

2.7. Коэффициент самодиффузии 43 Выводы к главе

Глава 3. Исследование стеклования аргона методом молекулярной 45 динамики

Введение

3.1. Моделирование перехода простой жидкости в аморфное 46 стеклообразное состояние

3.2. Расщепление второго пика радиальной функции 48 распределения

3.3. Постоянство доли флуктуационного объема при 50 температуре стеклования и правило «двух третей».

3.4. Критерий стеклования жидкостей и распределение 55 Максвела по скоростям

Выводы к главе

Глава 4. Исследование скорости звука в области стеклования на примере аргона

4.1. Скорость звука в исследовании структуры жидкостей и 60 твердых тел

4.2. Расчет скорости звука методом молекулярной динамики и 62 интегральных уравнений

Выводы к главе

Заключительные замечания

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Переход простых систем со сферически симметричным потенциалом парного взаимодействия из жидкого в твердое стеклообразное состояние в концепции молекулярной динамики»

Актуальность работы. Теплофизические и другие свойства аморфных твердых тел, используемых на практике, во многом определяются структурой жидкости, которая фиксируется в области стеклования. Вместе с тем проблема о природе перехода аморфного вещества из жидкого в твердое стеклообразное состояние остается до конца нерешенной. Поэтому исследование перехода жидкость-стекло представляет собой, несомненно, актуальную проблему. Зависимость температуры стеклования от скорости охлаждения и другие закономерности отражают ярко выраженный релаксационный характер данного перехода (Кобеко, Бартенев, Волькенштейн, Птицын, Мазурин, Narayanaswamy, Moynihan и др.). С другой стороны, известны вполне обоснованные попытки термодинамической интерпретации стеклования жидкостей как фазового перехода второго рода (Gibbs, DiMarzio, Adam и др.). В последнее время развивается синергетическая теория (Олемской, Хоменко), согласно которой процесс стеклования представляет собой спонтанное появление сдвиговых компонентов упругих полей деформаций и напряжений в результате охлаждения жидкости со скоростью, превышающей некоторую критическую величину. Причиной самоорганизации жидкости, приводящей к стеклованию, является положительная обратная связь между деформацией и температурой. Она обусловлена температурной зависимостью упругого модуля сдвига. На наш взгляд, на данном этапе можно считать, что стеклование жидкости представляет собой динамический квазифазовый переход в неравновесное состояние с очень большим временем жизни.

В последние годы достигнуты определенные успехи в применении метода молекулярной динамики к неравновесному стеклообразному состоянию. Это направление является перспективным и требует дальнейшего развития.

Цель и задачи работы. Цель диссертации - исследовать переход жидкость-стекло на простых моделях с помощью метода молекулярной динамики и получить новую информацию об особенностях этого перехода и структуры стеклообразных твердых тел. В диссертации ставились следующие задачи:

• моделировать с помощью метода молекулярной динамики фазовый переход жидкость-кристалл, а также переход жидкость-стекло в простых системах со сферически симметричным потенциалом парного межчастичного взаимодействия

• предложить дальнейшее развитие понятия о флуктуационном объеме жидкостей и стекол с помощью методов численного эксперимента

• разработать способы определения доли флуктуационного объема по конфигурации атомов моделируемой системы

• с помощью метода молекулярной динамики исследовать поведение такого структурно-чувствительного теплофизического параметра как скорость звука в аргоне в широком интервале температур, в том числе в области температуры стеклования

• дать интерпретацию результатов моделирования перехода жидкость-стекло в рамках модели возбужденных атомов

Научная новизна

• Предложен новый способ расчета доли флуктуационного объема с помощью метода молекулярной динамики для стеклообразных и жидких систем со сферически симметричным потенциалом парного взаимодействия.

• На основании результатов численного моделирования впервые показано, что доля флуктуационного объема аргона при быстром охлаждении выходит на постоянное значение, что трактуется как процесс стеклования аргона при температуре Г» 50 К.

• С помощью численного эксперимента исследована скорость звука в аргоне в широком температурном интервале вдоль изобар 1 атм. и 40 атм. в области фазовых переходов газ-жидкость, жидкость-кристалл, а также перехода расплав-стекло.

Практическая значимость полученных результатов. Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании и расчетах практически важных теплофизических и других свойств аморфных твердых тел и жидкостей, а также при разработке и синтезе стеклообразных материалов с теми или иными заранее заданными свойствами. Результаты расчета скорости звука аргона представлены в удобном для практического применения в табличном и графическом вариантах и могут быть использованы в качестве справочного материала при научных исследованиях и учебно-методических работах.

Защищаемые положения

1. Новый способ расчета доли флуктуационного объема систем с центральным сферически симметричным потенциалом межчастичного взаимодействия и методика моделирования перехода жидкость-стекло.

2. Выход температурной зависимости доли флуктуационного объема^ моделируемой системы на плато fg &const& 0.04 +0.05 вблизи температуры 50

13

К при скорости охлаждения 1,5-10 К/мин можно трактовать как переход в аморфное стеклообразное состояние.

3. Для аргона выполняется приближенное эмпирическое правило «двух третей»: Tg & (2/3)Т/ (Tg - температура стеклования, Tf- температура плавления).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на пятой, шестой, седьмой и восьмой Байкальских научных школах (РФФИ) по фундаментальной физике.-Иркутск : ИГУ, Институт солнечной и земной физики СО РАН, 2002, 2003, 2004, 2005 гг., Всероссийской научной конференции «Полимеры XXI века», Улан-Удэ: БГУ и БНЦ СО РАН, 2005 г., научно-пратических конференциях сотрудников и преподавателей Бурятского государственного университета и ВосточноСибирского государственного технологического университета, а также на научных семинарах отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН - Улан-Удэ, 2002-2005 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 1 статья в академическом журнале (РАН) «Журнал физической химии».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации -90 страниц, диссертация содержит 15 рисунков, 4 таблицы, 78 библиографических ссылок.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Парфенов, Алексей Николаевич

Основные результаты и выводы

1. Предложен новый способ определения флуктуационного объема жидкостей и аморфных сред как объем, обусловленный средними флуктуационными отклонениями частиц от положений равновесия. Разработан способ расчета такого объема с помощью метода молекулярной динамики. Проведен расчет для аргона.

2. Впервые показано, что при быстром охлаждении объемная доля флуктуационного объема аргона ниже температуры Tg&50 К выходит на постоянное значение fg = 0.03+0.05, которое по порядку величины близко к критерию стеклования в модели возбужденных атомов. Постоянство fg интерпретировано как стеклование аргона при температуре Tg&50 К.

3. При высокой скорости охлаждения аргона около 50 К обнаружено расщепление второго максимума радиальной функции распределения, что является признаком стеклования системы.

4. Для аргона удовлетворительно выполняется приближенное эмпирическое правило «двух третей»: Tg&(2/3)Tf.

5. Методом молекулярной динамики и интегральных уравнений теории жидкостей впервые рассчитана скорость звука в аргоне в области фазовых переходов газ-жидкость, жидкость-кристалл и в области квазифазового перехода расплав-стекло.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Парфенов, Алексей Николаевич, 2005 год

1.J., Wainwright Т.Е. Studies in Molecular Dynamics // Phys.rev. 1970. Vol.la, №1. P.18-21.

2. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в физике. М.: Наука, 1990.

3. Вуд В. Исследование моделей простых жидкостей методом Монте-Карло // Физика простых жидкостей. Т.2. / Под ред. Г. Темперли, Дж. Роулинсона и Дж. Рашбрука. М.: Мир, 1973.

4. Замалин В.М., Норман Г.Э., Филинов B.C. Метод Монте-Карло в статистической термодинамике. М.: Наука, 1977.

5. Методы Монте-Карло в статистической физике / под ред. К. Биндера. М.: Мир, 1982.

6. Гулд. X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике.- г М.:Мир, 1990.

7. Berendsen H.J.C. and van Gunsteren W.F. Practical algorithms for dynamic simulations. Ibid. P.43-65.

8. Beeman D. Some multistep methods for use in molecular dynamics calculations. // J.Comp.Phys. 1976. Vol.20, №2. P. 130-139.

9. Esparza C.H., ICronmuller H. Canonic molecular dynamics simulation. A phenomenological approach//Mol.phys. 1989. Vol.68, №6. P.1341-1352.

10. Cagin Т., Ray J.R. Fundamental treatment of molecular-dynamics ensembles. // Phys.rev. 1988.Vol.37, №4. P.247-251.

11. Andersen H.C. Molecular dynamics simulation at constant pressure andtemperature. // J.Chem.Phys. 1980. Vol.72, №4. P.2384-2393.

12. Nose S., Yonezawa F. Isothermal-isobaric computer simulations of melting and crystallization of a Lennard-Jones system. // J.Chem.Phys. 1986.Vol.84, №3. P.1803-1814.

13. Jellinelc J. Dynamics for nonconservative systems: ergodicity beyond the microcanonical ensemble. //J.Chem.Phys. 1988.Vol.92, №1. P.3163-3173.

14. Марч H., Тоси M. Движение атомов жидкости.-М. Металлургия,1980.

15. Rahman A. Liquid structure and self-diffusion. // J.Chem.Phys. 1966. Vol.45, №7. P.2585-2592.

16. Полухин В.А., Ухов В.Ф., Дзугутов M.M. Компьютерноемоделирование динамики и структуры жидких металлов. М.:Наука,1981.

17. Полухин В.А., Ватолин Н.А. Моделирование аморфных металлов. М.:Наука, 1985.

18. Schiff D. Computer "Experiments" on liquid metals. // Phys.rev. 1969. Vol.186, №i.p.l51-159.

19. P. Балеску, Равновесная и неравновесная статистическая механика. Том 1.-М.:Мир, 1978.

20. Сандитов Д.С. Условие стеклования жидкостей и критерий плавления Линдемана в модели возбужденных атомов // Доклады РАН. 2003. Т.390, №2. С.209-213.

21. Соловьев А.Н., Каплун А.Б, Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. Новосибирск:Наука, 1970.

22. Cohen M.H., Turnbull D. Molecular transport in liquids and glasses // J.Chem.Phys. 1959. Vol.31, №5. P. 1164-1169.

23. Сандитов Д.С., Бартенев Г.М. Физические свойства неупорядоченных структур. Новосибирск: Наука, 1982.

24. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.:Изд. АН СССР, 1945.

25. Сандитов Д.С., Баинова А.Б. Вязкое течение и пластическая деформация стекол в модели возбужденных атомов // Физ. и хим. стекла. 2004. Т.ЗО, №2. С.153-177.

26. Сандитов Д.С. Оценка объема флуктуационной дырки в щелочно-силикатных стеклах // Физ. и хим. стекла. 1977. Т.З, №6. С.580-586.

27. Сандитов Д.С. Модель возбужденных атомов и вязкоупругие свойства аморфных полимеров и стекол // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2005. Т.47, №3. С.478-489.

28. Филянов Е.М. Связь активационных параметров деформирования сетчатых полимеров в переходной области со свойствами стеклообразного состояния // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1987. Т.29, №5. С.975-981.

29. Филянов Е.М. О температуре размягчения эпоксидной смолы // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 1983. Т.25, №9. С.700-705.

30. Simha R, Boyer R.F. On a general relation involving the glass temperature and coefficients of expansion of polymers //J. Chem. Phys. 1962. Vol.37, №5. P.1003-1007.

31. Matsuolca S., Bair H.E. The temperature drop in glassy polymers during deformation//J. Appl. Phys. 1977. Vol.48, №10. P.4058-4062.

32. Lindemann F.A. Uber die Berechung molecularer Eiqenfrequenten // Z. Physik. 1910. Bd.ll.S.609-618.

33. Новиков В.Н. Наноструктура и низкоэнергетические колебательные возбуждения в стеклообразных материалах // Автореф. дисс. докт. физ.-мат. наук. Новосибирск:Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН, 1992.

34. Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. М.: Изд.-во иностр. лит., 1963.

35. КобекоП.П. Аморфные вещества. Л. :Изд. АН СССР, 1952.

36. Шишкин Н.И. Зависимость кинетических свойств жидкостей и стекол от температуры, давления и объема // Журн. техн. физики. 1956. Т.26. С.1461-1473.

37. Ростиашвили В.Г., Иржак В.И., Розенберг Б.А. Стеклование полимеров. Л. .'Химия, 1987.

38. Олейник Э.Ф., Саламатина О.Б., Руднев С.Н., Шеногин С.В. Новый подход к пластической деформации стеклообразных полимеров // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1993. Т.35, №11. С.1819-1826.

39. Липатов Ю.С. О состоянии теории изо-свободного объема и стеклования в аморфных полимерах // Усп. химии. 1978. Т.42, №2. С.332-356.

40. Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М.: Химия, 1983.

41. Сандитов Д.С., Цыдыпов Ш.Б., Баинова А.Б. Критерий стеклования жидкостей в модели возбужденных атомов // Журн. физ. химии. 2004.48