Переход простых систем со сферически симметричным потенциалом парного взаимодействия из жидкого в твердое стеклообразное состояние в концепции молекулярной динамики

• Автор: Парфенов, Алексей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Улан-Удэ
• Количество страниц: 90 с. : ил.

Глава 1. Методы статистической физики и модель возбужденного

состояния (обзор литературы)

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
Выводы к главе 1
Глава 2. Численный расчет основных теплофизических свойств
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
Выводы к главе 2

Глава 3. Исследование стеклования аргона методом молекулярной
динамики
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 3
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 4
Заключительные замечания
Основные результаты и выводы
Литература
Приложение

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.

размывание вероятностного распределения атомов в пространстве второй координационной сферы, что обычно связывают с процессом аморфизации [48,65,66]. Действительно, такой признак аморфного состояния в области второго максимума функции распределения подтверждается экспериментами по нейтронному и рентгеновскому рассеянию [48].
Таким образом, расщепление второго максимума радиальной функции распределения аргона при температуре -50 К, которая находится значительно ниже температуры плавления 2} = 83,8 К, можно интерпретировать как переход аргона при Тё * 50 К в аморфное стеклообразное состояние.
3.3. Постоянство доли флуктуационного объема при температуре стеклования и правило «двух третей».
В области стеклования установлены различные эмпирические универсальные соотношения и правила, установленные на основе многочисленных экспериментальных данных (см.[47,62,63]). Это эмпирическое правило «двух третей» для температуры стеклования Тё, постоянство доли флуктуационного объема Д, ниже Гг, рассматриваемые в данном разделе и другие. Например, подавляющее большинство стеклующихся веществ (глицерин (77=185 К), глюкоза (77=301 К), канифоль (7];=313 К), полиметилметакрилат (Тг=349 К), борный ангидрид (77=534 К), щелочносиликатное стекло (7^=810К), алюмосиликатное стекло (77=1025 К) и другие системы), несмотря на различие в значениях Тё, переходит в твердое стеклообразное состояние при одной и той же вязкости:
7(ге) = 7е = ю13 ПуазЩз).
Среди различных подходов к проблеме стеклования в последние годы получила распространение модель возбужденного состояния [24,29] (см. главу 1). В этой модели объем, равный V/- =к/Д/„ назван флуктуационным объемом системы. Доля флуктуационного объема /~Vj.IV фактически
определяется концентрацией возбужденных атомов 7УЛ IN = ¥