جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای معراج ملکوتی خواه)

موضوع:  شبیه‌سازی پدیده ذوب نانوسیم‌های فلزی با طول کوتاه با استفاده از روش میدان فاز بر مبنای مشاهدات دینامیک مولکولی 

ارائه دهنده: معراج ملکوتی‌خواه

استادان راهنما: دکتر محمد سیلانی – دکتر مهدی جوان‌بخت

استادان مشاور: -

استادان داور: دکتر صالح اکبرزاده – دکتر حسین جعفرزاده

چکیده:

نانوسیم‌ها با توجه به ابعاد بسیار کوچک خود، خواص متفاوتی را ارائه می‌دهند. این خواص منحصر به فرد موجب شده تا این مواد در حوزه‌هایی مانند الکترونیک، پزشکی، مکانیک و سایر صنایع کاربرد داشته باشند. در این پژوهش یکی از خواص حرارتی این مواد یعنی دمای ذوب در نانوسیم‌های کوتاه آلومینیومی به کمک روش میدان فاز مورد بررسی واقع شده است. روش میدان فاز در قالب رابطه گینزبرگ-لاندا که به ارزیابی یک سیستم در اثر ناپایداری به وجود آمده در آن می‌پردازد، تعریف می‌شود. در این روش، انرژی نانوسیم که به صورت انرژی آزاد هلمهولتز در نظر گرفته شده و شامل چهار بخش الاستیک، دوچاهی، حرارتی و گرادیان می‌شود، کمینه‌سازی می‌شود. با توجه به دوفازی بودن فرآیند ذوب و به منظور نشان دادن نوع فاز در هر نقطه و لحظه از زمان، متغیری به نام پارامتر مشخصه تعریف می‌شود که مقدار آن برای جامد برابر با یک و برای مذاب برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود و پارامتر مشخصه در لایه میانی بین دو فاز از یک تا صفر تغییر می‌کند. هم‌چنین به منظور در نظر گرفتن اثر مکانیک در مسئله بایستی مجموعه روابط الاستیسیته به صورت هم‌زمان با رابطه گینزبرگ-لاندا حل گردد. پیاده‌سازی روابط حاکم و شرایط مرزی آن در نرم‌افزار کامسول انجام گرفته است. در شبیه‌سازی‌های صورت گرفته از مدل یک‌چهارم و متقارن محوری به منظور کاهش حجم محاسبات بهره برده شده است. شبیه‌سازی‌ها بر اساس در نظر گرفتن اثر مکانیک یا عدم آن در دو دسته کلی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در مدل میدان فاز خالص، یک مدل هندسی دوبعدی از سطح مقطع با فرض کرنش صفحه‌ای در نظر گرفته شده که صرفا اثر حرارتی به کمک روش میدان فاز در آن بررسی شده است. در این مدل با عدم در نظر گرفتن انرژی سطحی به عنوان شرط مرزی باعث ذوب ناگهانی نانوسیم در دمای بالاتر از دمای ذوب می‌شود که چنین موردی با فیزیک در واقعیت تطابق ندارد. در حالتی که انرژی سطحی به عنوان شرط مرزی بر روی مرز منحنی مدل احتساب شود، فرآیند ذوب به تدریج از فاز جامد به مذاب انجام می‌گیرد. در دسته دوم مسائل که اثر مکانیک در مدل میدان فاز لحاظ گردیده است، تحلیل ابعادی نانوسیم و تاثیر تغییرات این موارد بر دمای ذوب مورد بررسی قرار گرفته است. با در نظر گرفتن نانوسیم‌های بلند (L/D = 10) و نانوسیم‌های کوتاه (L/D = 2) برای شعاع‌ها و طول‌های متفاوت، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که با کاهش شعاع، دمای ذوب نیز کاهش می‌یابد. با در نظر گرفتن شعاع‌های ثابت و تغییر طول نیز نتیجه‌ای مشابه با آن‌چه گفته شد، حاصل گردید. علت این موضوع افزایش نسبت سطح به حجم در هر دو حالت بوده که با اعمال حرارت، تضعیف پیوندهای میان اتم‌ها که بیش‌تر بر روی سطح قرار دارند موجب تسریع فرآیند ذوب خواهد شد. سازوکار رخ دادن پدیده ذوب در نانوسیم‌ها بر اساس تغییرات دو متغیر پارامتر مشخصه و کرنش حجمی کل بررسی گردید. از نتایج هر دو مطالعه، این موضوع برداشت می‌شود که با کاهش شعاع نانوسیم به زیر 5 نانومتر، لایه میانی جامد-مذاب تشکیل نمی‌گردد و فرآیند ذوب به صورت ناگهانی و آنی صورت خواهد گرفت. اثر وجود حفره در ساختار نانوسیم نیز مورد تحقیق قرار گرفت. تغییرات شعاع حفره و هم‌چنین موقعیت قرارگیری آن در نانوسیم نشان داد که وجود این عیب هندسی تاثیری بر روی دمای ذوب نخواهد داشت. اعتبارسنجی نتایج حاصل شده از شبیه‌سازی‌ها بر اساس مشاهدات دینامیک مولکولی پژوهش‌های پیشین و مدل ترمودینامیکی جدید ارائه شده در این پژوهش صورت گرفته است.

کلمات کلیدی: نانوسیم، دمای ذوب، میدان فاز، دینامیک مولکولی، مدل ترمودینامیکی، پارامتر مشخصه