BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUYỆN THỊ SAN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA
CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số: 62520401

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN HỒNG
2. GS. TS. VŨ VĂN HÙNG

HÀ NỘI - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Thay mặt tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Nguyễn Văn Hồng

Luyện Thị San


2.2. Xây dựng mô hình động lực học phân tử ........................................................... 31
2.2.1. Thế tương tác........................................................................................... 31
2.2.2. Mô hình động lực học phân tử ................................................................ 33
2.3. Phân tích cấu trúc ............................................................................................... 35
2.3.1. Hàm phân bố xuyên tâm ......................................................................... 35
2.3.2. Số phối trí và đơn vị phối trí ................................................................... 37
2.3.3. Phân bố góc ............................................................................................. 38
2.3.4. Kỹ thuật trực quan hóa ............................................................................ 39
2.4. Phân tích động học ............................................................................................. 39
CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA SiO2 LỎNG
3.1. Hiện tượng đa thù hình ....................................................................................... 43
3.2. Hiện tượng động học .......................................................................................... 51
3.2.1. Cơ chế khuếch tán................................................................................... 51
3.2.2. Động học không đồng nhất ..................................................................... 63


CHƯƠNG 4. CẤU TRÚC CỦA MgSiO3 LỎNG
4.1. Cấu trúc địa phương của Si và Mg ..................................................................... 72
4.2. Hiện tượng tách pha vi mô ................................................................................. 79
KẾT LUẬN......................................................................................................................... 90
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 93


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ĐLHPT

Động lực học phân tử

PBXT


NVE

Số hạt, thể tích và năng lượng không đổi

Si

Nguyên tử silíc

O

Nguyên tử ôxy

NRM

Cộng hưởng từ hạt nhân

1


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1

Các thông số thế BKS đối với hệ SiO2

31

Bảng 2.2


73

rlkj là vị trí của đỉnh thứ nhất hàm PBXT thành phần.
Bảng 4.2

Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO4 ở các áp suất

84

khác nhau.
Bảng 4.3

Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO5 ở các áp suất

84

khác nhau.
Bảng 4.4

Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO6 ở các áp suất
khác nhau.

2

84


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 2.1

Hình 2.6

Minh họa đám hình thành giữa nguyên tử Si và O. Khối cầu màu

42

đen là Si, màu vàng là O.
Hình 3.1

Năm ĐVPT cấu thành mạng SiO2 lỏng: SiO4 (a); SiO5 (b); SiO6

45

(c); OSi2 (d); OSi3 (d). Khối cầu nhỏ là O và khối cầu lớn là Si.
Hình 3.2

Sự phân bố tỉ phần ĐVPT SiOx và OSiy ở áp suất khác nhau.

45

Hình 3.3

Phân bố góc Si-O-Si và khoảng cách liên kết O-Si trong các

46

ĐVPT OSi2 và OSi3.
Hình 3.4

Liên kết giữa các ĐVPT SiOx và đám được hình thành bởi SiOx

Sự phụ thuộc của χ vào thời gian mô phỏng.

3

53


Hình 3.9

Độ dịch chuyển bình phương trung bình/1 nguyên tử cho nhóm

54

nguyên tử thứ nhất và thứ hai.
Hình 3.10

Số lượng đám tạo bởi các nguyên tử thuộc nhóm nguyên tử A1,

55

A2 và A3 tại các thời điểm mô phỏng khác nhau.
Hình 3.11

Kích thước đám lớn nhất tại các thời điểm mô phỏng khác nhau,

56

P = 0 GPa.
Hình 3.12


Minh họa chuyển động của các nguyên tử. Khối cầu màu đen

63

ứng với các đám cứng. Khối cầu đỏ và xanh ứng với các nguyên
tử linh động. Khối cầu màu đỏ ứng với các nguyên tử thuộc các
siêu phân tử.
Hình 3.17

a) Chuyển đổi có ích; b) Chuyển đổi không có.

64

Hình 3.18

Sự phụ thuộc áp suất của hệ số khuếch tán (a) và tốc độ chuyển

65

đổi (b), T = 3000 K.
Hình 3.19

Sự phụ thuộc của η = Mbt/Mbo vào số lượng chuyển đổi, T =

66

3000 K.
Hình 3.20

Minh họa quá trình dịch chuyển của các nguyên tử: A) Một

của MgSiO3 ở T = 3000 K và các áp suất khác nhau.

Cấu trúc mạng của MgSiO3 lỏng ở áp suất 0 GPa (Khối cầu màu

75

đỏ là nguyên tử Mg, khối cầu màu đen là nguyên tử Si và khối
cầu màu vàng là O).
Hình 4.3

Sự phân bố của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong MgSiO3 lỏng

76

khi áp suất thay đổi.
Hình 4.4

Phân bố góc O-Si-O của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong

77

MgSiO3 lỏng ở áp suất khác nhau.
Hình 4.5

Phân bố khoảng cách liên kết Si-O trong MgSiO3 lỏng ở các áp

77

suất khác nhau.
Hình 4.6


82

thông qua các BO và NBO.
Hình 4.11

Sự phân bố của BO, NBO và ôxy tự do trong MgSiO3 lỏng khi

83

áp suất thay đổi.
Hình 4.12

Sự phân bố của O-Six, O-Mgy và Sin-O-Mgm (x, y, n, m = 1 ÷ 6)

83

trong MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi.
Hình 4.13

Sự phân bố không gian của các cầu nối O-Six trong MgSiO3 lỏng

86

ở áp suất 0 và 30 GPa. Khối cầu màu đen là Si, màu vàng là O.
Hình 4.14

Sự phân bố không gian của các O-Mgy trong MgSiO3 lỏng ở áp
suất 0 và 30 GPa. Khối cầu màu vàng là O và màu đỏ là Mg.
5

thích quá trình chuyển từ pha mật độ thấp tới pha mật độ cao khi áp suất thay đổi, lý
thuyết Adam-Gibbs với ý tưởng trung tâm là sự tồn tại các vùng tự sắp xếp đã giải
thích thành công hiện tượng thuyên giảm động học cho một vài chất lỏng, v.v.. Một
số nghiên cứu khác cho rằng các hiện tượng động học có thể được nhận biết chỉ
thông qua các biến động học như theo dõi chuyển động của các hạt linh động, các
tham số không có dạng phân bố Gauss, phương trình tương quan đa điểm, v.v..
Trong một vài nghiên cứu gần đây, mối liên hệ giữa cấu trúc và động học đã được
chỉ ra.
Mặc dù hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới tiến
hành nghiên cứu hai vật liệu SiO2 và MgSiO3, các kết quả thu được vẫn chưa thống
nhất và nhiều vấn đề chưa được làm rõ như: i) Các hiện tượng liên quan tới sự thay
đổi cấu trúc do ảnh hưởng của áp suất; ii) Liệu có thực sự tồn tại mô hình hai trạng
thái trong những chất lỏng này, cấu trúc của pha mật độ thấp và pha mật độ cao như
thế nào; iii) Nguyên nhân dẫn tới hiện tượng động học không đồng nhất hoặc cơ chế
khuếch tán trong các chất lỏng có cấu trúc mạng (Network - forming liquid). Từ

7


những lý do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài luận án “Nghiên cứu đặc trưng
cấu trúc và động học của các vật liệu SiO2 và MgSiO3 lỏng”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận án hướng tới là nâng cao hiểu biết về cấu trúc và động
học của các vật liệu lỏng có cấu trúc mạng nói chung. Đối tượng nghiên cứu cụ thể
của luận án là hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 ở trạng thái lỏng. Phạm vi nghiên cứu
của luận án chủ yếu là các hiện tượng liên quan tới cấu trúc và động học của hai vật
liệu này ở trạng thái lỏng.
Cụ thể với vật liệu SiO2:
-


kết với nhau trong không gian, hay còn được gọi là những chất lỏng có cấu trúc
mạng. Nhóm vật liệu được nghiên cứu trong luận án gồm SiO2 và MgSiO3 đều là
những vật liệu chủ yếu trong vỏ trái đất. Chính vì vậy, những nghiên cứu về hai vật
liệu này trong dải nhiệt độ và áp suất cao sẽ có ý nghĩa thiết thực với ngành khoa
học trái đất, cho phép các nhà khoa học dự đoán các quá trình địa chất.
5. Những đóng góp mới của luận án
-

Chỉ ra cấu trúc mạng của SiO2 lỏng được hình thành từ 5 ĐVPT và chia

thành hai pha: mật độ thấp và mật độ cao. Pha mật độ thấp gồm các ĐVPT SiO4 liên
kết với nhau thông qua OSi2. Pha mật độ cao gồm các ĐVPT SiO5, SiO6 liên kết với
nhau thông qua OSi3. Cấu trúc không đồng nhất là nguyên nhân dẫn tới hiện tượng
các chuyển đổi phân bố không đồng nhất trong không gian cũng như hiện tượng
động học không đồng nhất.
-

Chứng minh khuếch tán không đơn giản là quá trình chuyển đổi giữa các

ĐVPT. Chuyển đổi có ích giữa các ĐVPT mới là yếu tố quan trọng dẫn tới khuếch
tán. Chuyển động tương quan liên quan tới sự dịch chuyển của một nhóm các
nguyên tử là nguyên nhân gây ra hiện tượng khuếch tán dị thường và thuyên giảm
động học trong vật liệu SiO2 lỏng.
-

Kết quả nghiên cứu cho thấy môi trường địa phương của Si trong vật liệu

SiO2 lỏng và MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi là tương tự nhau. Khi áp suất thay
đổi, vật liệu MgSiO3 lỏng luôn tồn tại những vùng Si và vùng Mg, ứng với hiện
tượng tách pha vi mô.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HAI VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3
Hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 luôn nhận được sự quan tâm của nhiều nhà
khoa học vì những tiềm năng ứng dụng cũng như ý nghĩa đối với ngành khoa học
trái đất. Nhiều công trình thực nghiệm, mô phỏng đã tập trung nghiên cứu các vấn
đề liên quan tới cấu trúc và động học của hai vật liệu trên. Trong chương này, chúng
tôi trình bày những hiểu biết cùng những thành tựu nghiên cứu đã đạt được nhằm
làm rõ vấn đề sẽ được nghiên cứu trong luận án.

1.1 Tổng quan vật liệu SiO2
1.1.1. Cấu trúc
Silíc điôxít (SiO2) là một trong những khoáng chất phổ biến trong vỏ trái đất,
là vật liệu quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như:
công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ, thủy tinh; công nghiệp sản xuất
silicon; công nghiệp điện tử và sợi quang v.v..
SiO2 có nhiều dạng thù hình tồn tại ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác
nhau. Các dạng tinh thể của SiO2 bao gồm: α-quartz, β-quartz, α-tridymite, βtridymite, α-cristobalite, β-cristobalite, v.v.. Trong đó quartz (thạch anh) là dạng
phổ biến nhất và là thuật ngữ thường được sử dụng khi nói về cấu trúc tinh thể của
SiO2. Ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, α-quartz là dạng thù hình
bền vững về mặt nhiệt động học so với các dạng tinh thể khác. Thuật ngữ α thường
sử dụng cho pha nhiệt độ thấp và β cho pha nhiệt độ cao. Cấu trúc tinh thể Quartz
gồm có 4 nguyên tử ôxy (O) liên kết với nhau trong không gian 3 chiều hình thành
tứ diện với 1 nguyên tử silíc (Si) nằm ở tâm của tứ diện. Các tứ diện này liên kết với
nhau bằng cách chia sẻ 1 nguyên tử O ở đỉnh, hình thành nên cấu trúc tinh thể của
Quartz. Khi bị đun nóng α-quartz sẽ chuyển thành β-quartz ở 570oC. Cả hai dạng
thù hình này đều được cấu tạo từ các tứ diện SiO4, α-quartz là cấu trúc tinh thể tam
giác, còn β-quartz là cấu trúc tinh thể lục giác. Ở 870oC, tridymite được hình thành,
các liên kết Si-O bị phá vỡ cho phép các nguyên tử O trong các tứ diện tự sắp xếp
lại thành dạng đơn giản hơn với nhiều cấu trúc lục giác mở hơn. Cristobalite được

quá trình nén, có sự dịch chuyển từ trạng thái mật độ thấp tới trạng thái mật độ cao
trong những vật liệu có cấu trúc tứ diện này [15, 43]. Công trình [78] sử dụng mô
phỏng ĐLHPT cho rằng tới áp suất 8÷10 GPa, mạng SiO2 VĐH chủ yếu bao gồm
12


các nguyên tử Si có số phối trí 4, tương ứng với mạng tứ diện lý tưởng. Như vậy,
cấu trúc mạng không hề thay đổi khi áp suất nén đạt tới ngưỡng áp suất này. Khi áp
suất nén lớn hơn 10 GPa, mạng SiO2 có sự thay đổi đáng kể với sự xuất hiện của
SiO5, đóng vai trò giống như các khuyết tật của mạng tứ diện lý tưởng. Các ĐVPT
SiO6 chỉ xuất hiện với tỉ lệ nhỏ ở áp suất trên 16÷20 GPa. Một vài nghiên cứu thực
nghiệm gần đây cũng chỉ ra sự tồn tại của các nguyên tử Si có số phối trí 5 và 6
trong SiO2 VĐH khi bị nén [12, 54, 73, 74]. Sử dụng tán xạ tia X, Sato và các cộng
sự [73] đã chỉ ra rằng, ở áp suất dưới 10 GPa, SiO2 VĐH biểu hiện giống một vật
liệu đơn thù hình, cấu trúc chủ yếu bao gồm các tứ diện SiO4. Sự thay đổi của trật tự
gần bắt đầu ở 25 GPa với số phối trí của Si tăng từ 4 tới 6 khi áp suất tăng. Ở áp
suất trên 40÷45 GPa, SiO2 VĐH chỉ có các nguyên tử Si với số phối trí 6, và trạng
thái này tồn tại tới áp suất khoảng 100 GPa. Trong công trình [12], ảnh hưởng của
áp suất lên cấu trúc SiO2 VĐH cũng được chỉ ra bằng tán xạ tia X tới áp suất 43.5
GPa. Ở áp suất 15 GPa, các tứ diện SiO4 bắt đầu trở nên méo hơn. Ở áp suất lớn
hơn, phân bố khoảng cách Si-O trở nên nhọn hơn, khoảng cách liên kết trung bình
và số phối trí trung bình tăng tuyến tính với áp suất. Mối tương quan giữa sự tăng
chiều dài liên kết và sự tăng số phối trí cũng được chỉ ra trong [54], Min Wu cùng
các cộng sự đã chỉ ra rằng quá trình tăng số phối trí bắt đầu ở 12 GPa. Từ 12 tới 22
GPa, SiO2 VĐH bao gồm cả SiO4, SiO5 và SiO6 với tỉ phần
25oC là 1.597±0.005 Å, và tăng tới 1.626±0.005 Å ở 1600oC. Giá trị này giữ
nguyên cho tới nhiệt độ 2100oC, lúc này SiO2 đã nóng chảy và chuyển sang trạng
thái lỏng. Góc liên kết O-Si-O trung bình của SiO2 lỏng đo được bằng thực nghiệm
là 1070±20, so với 1090 của trạng thái VĐH [42]. Số phối trí trung bình của Si với
SiO2 VĐH là 3.90±0.02 và SiO2 lỏng là 3.88±0.02. Những số liệu này chứng tỏ cả
SiO2 lỏng và VĐH đều tồn tại mạng tứ diện với sự chiếm ưu thế của các tứ diện
SiO4

1.1.2 Hiện tượng đa thù hình
Đa thù hình được định nghĩa là sự tồn tại nhiều trạng thái khác nhau trong
cùng một vật liệu, các trạng thái này có cùng thành phần hóa hóa nhưng khác nhau
về cấu trúc địa phương và mật độ [18]. Đa thù hình là một chìa khóa quan trọng để

14


giải thích được hiện tượng dị thường của các vật liệu có cấu trúc tứ diện khi ở pha
lỏng như: đường cong nóng chảy (đồ thị biểu diễn sự thay đổi của nhiệt độ nóng
chảy Tm theo áp suất) có độ dốc âm tương ứng với trường hợp pha rắn có mật độ
nhỏ hơn pha lỏng, hệ số giãn nở đẳng áp âm, nhiệt dung riêng đạt giá trị cực tiểu
trong quá trình nén đẳng nhiệt, v.v..
Hiện tượng đa thù hình được phát hiện lần đầu tiên trong hệ nước đá năm
1984 bởi Mishima và các cộng sự [58, 59]. Các nghiên cứu thực nghiệm của nhóm
đã chỉ ra sự tồn tại của các trạng thái VĐH trong nước đá với mật độ và cấu trúc
khác nhau, tương ứng với pha mật độ thấp và pha mật độ cao. Ngoài ra, nhóm tác
giả còn chứng minh được rằng quá trình dịch chuyển này thực sự giống chuyển pha
loại 1.
Do sự tương tự về cấu trúc và các đặc tính nhiệt động học của SiO2 và nước
đá dẫn tới giả thuyết cho rằng tồn tại quá trình tương tự cho SiO2 ở cả trạng thái
VĐH và lỏng. Quá trình chuyển pha về cơ bản là khác nhau trong hai hệ SiO2 và

hàm PBXT riêng phần

của cặp Si-Si, với i tương ứng là số lân cận Si của một

nguyên tử Si xác định cho thấy: hàm PBXT
trong khi hàm PBXT

không có biểu hiện dị thường,

tách thành hai đỉnh ở dải mật độ 5.5÷7.5 cm3/mol. Điều

này chứng tỏ rằng trong dải mật độ được khảo sát, tồn tại hai môi trường địa
phương hoàn toàn khác biệt xung quanh nguyên tử Si. Trong một số công trình [2,
3], đa thù hình của SiO2 lỏng được đề cập tới dựa trên quan điểm về sự tồn tại một
cấu trúc mạng. Cấu trúc mạng của SiO2 gồm các ĐVPT SiOx liên kết với nhau
thông qua nguyên tử O dùng chung, hình thành cấu trúc mạng liên tục trong không
gian. Trực quan hóa dữ liệu số, các công trình trên đã chỉ rõ sự phân bố của các
ĐVPT SiOx là không đồng đều dẫn tới sự kết cụm và hình thành các pha SiOx khác
nhau. Đây được cho là nguồn gốc đa thù hình trong SiO2 lỏng.
Để giải thích hiện tượng chuyển pha, một họ các mô hình đã được phát triển
như mô hình ‘two-state’, mô hình ‘two-species’ hoặc mô hình ‘two-domain’ [22,
23]. Trong chất lỏng hai trạng thái ‘two-state’, một giả thuyết được đưa ra rằng tỉ
phần của miền mật độ cao sẽ tăng khi áp suất tăng. Vì vậy, mật độ của pha lỏng
thậm chí còn lớn hơn pha rắn. Cấu trúc của SiO2, H2O, GeO2, P, Si, v.v. lỏng hoặc
VĐH có thể được xem gồm hai pha: mật độ cao và mật độ thấp. Sự tồn tại của các
pha này với tỉ phần khác nhau sẽ dẫn tới nhiều trạng thái cùng thành phần hóa học
nhưng có mật độ khác nhau. Công trình [23] phân tích quá trình khuếch tán cũng và
độ dịch chuyển bình phương trung bình của các nguyên tử trong SiO2 lỏng cũng chỉ
sự khác biệt đáng kể giữa pha mật độ thấp và pha mật độ cao. Pha mật độ thấp có
nhiều tứ diện SiO4 hơn, cấu trúc mạng mở hơn; trong khi đó pha mật độ cao lại có ít

xác định

, một số tính chất động học như hệ số khuếch tán, độ nhớt thay đổi đột

ngột. Hiện tượng này gọi là hiện tượng thuyên giảm động học và nhiệt độ
gọi là nhiệt độ chuyển pha VĐH. Xung quanh nhiệt độ chuyển pha

được

, các tính chất

động học thay đổi rất mạnh theo nhiệt độ trong khi cấu trúc hầu như không thay đổi
[65]. iii) Khuếch tán dị thường là hiện tượng hệ số khuếch tán tăng khi áp suất tăng.

17


Hiện tượng này được quan sát trong một số chất lỏng như nước, SiO2, các vật liệu
silicate, v.v..
Các hiện tượng động học kể trên được nghiên cứu bằng cả lý thuyết, thực
nghiệm và mô phỏng, đặc biệt là phương pháp mô phỏng vì nó cho phép nghiên cứu
trong nhiều điều kiện khác nhau cũng như theo dõi được hành vi của từng nguyên
tử trong hệ. Một vài mô hình lý thuyết được đưa ra như lý thuyết Mode Coupling, lý
thuyết Adam-Gibbs, lý thuyết thể tích tự do, mô hình thấm, v.v.. Tuy nhiên, chưa lý
thuyết nào được xem là lý thuyết tổng quan cho các hiện tượng động học này. Lý
thuyết Mode-Coupling thành công trong việc mô tả động học ở nhiệt độ cao, giải
thích được sự thay đổi tính chất vùng α relaxation và β relaxation khá chính xác
[77]. Tuy nhiên, nhiệt độ tới hạn mà tại đó các quá trình động học diễn ra chậm
được dự đoán có giá trị cao hơn nhiệt độ thực nghiệm. Theo lý thuyết Adam-Gibbs
[28], mối liên hệ giữa đặc trưng nhiệt động học và độ dịch chuyển được phân tích

độ thấp cũng chưa được lý thuyết này chỉ rõ. Mô hình thấm (Percolation model)
[31] được đưa ra nhằm xây dựng mối liên hệ giữa quá trình chuyển pha VĐH và sự
thấm của các vùng linh động trong cấu hình không gian của hệ dẫn tới hình thành
một mạng lưới các vùng linh động trong cấu hình không gian của hệ. Các nghiên
cứu sâu hơn về hình thái học của mạng lưới thấm và động học trong các mạng lưới
này có thể sẽ dẫn tới những tiên đoán mới cho các quá trình thuyên giảm động học
và chuyển động tương quan trong loại vật liệu này.
Một số nghiên cứu cho rằng các hiện tượng động học chỉ thuần túy động học,
có thể được nhận biết chỉ thông qua các biến động học như: i) Theo dõi chuyển
động của các hạt linh động [40, 52]; ii) Các mô hình quỹ đạo và tham số không có
dạng Gauss [76]; iii) Xét thời gian sống của các liên kết [64]; iv) Phương trình
tương quan đa điểm [21, 53]. Khi mô phỏng hệ chất lỏng siêu lạnh, Garrahan và
Chandler (GC) đã đưa ra ý tưởng cho rằng: i) Độ linh động của các hạt là không
đồng đều và động học là không đồng nhất ở khoảng thời gian giữa chuyển động
‘ballistic’ và ‘diffusive’ ii) Sự linh động của các hạt là kết quả của động học dễ
dàng, có nghĩa rằng một hạt linh động có thể kéo theo các hạt xung quanh cũng trở
nên linh động [40]. Trong công trình [52], sử dụng mô phỏng động học phân tử,
Vogel và các cộng sự đã chỉ ra rằng các hạt linh động có xu hướng hình thành các
đám có kích thước lớn hơn những đám được hình thành từ các nguyên tử lựa chọn
ngẫu nhiên trong hệ, đặc biệt là khoảng thời gian trung gian khi hệ chuyển từ chế độ
‘caging’ sang ‘diffusive’. Ngoài ra, nghiên cứu còn chỉ ra xác suất một hạt trở nên
linh động sẽ cao hơn khi nó nằm trong lân cận của các hạt linh động khác, điều này
đã khẳng định thêm cho ý tưởng được đưa ra bởi Garrahan và Chandler [40]. Hiệu
ứng này thể hiện mạnh nhất ở thời điểm khi kích thước các đám linh động đạt giá trị
cực đại và khi nhiệt độ của hệ giảm, điều này đã đưa ra giả thuyết rằng hiệu ứng này
đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi hệ tiến gần tới nhiệt độ chuyển pha thủy tinh
. Mô phỏng động học phân tử cho các hệ Lennard-Jones đã tìm thấy bằng chứng
về DH dựa trên phương trình tương quan đa điểm [21, 53]. Khắc phục nhược điểm
của hàm tương quan hai điểm truyền thống, hàm tương quan bốn điểm
19

trúc này sẽ ảnh hưởng tới quá trình động học không đồng nhất, cấu trúc này được
gọi là ‘glass order’. Trong công trình [53], mối liên hệ giữa cấu trúc và động học
trong SiO2 được khảo sát bằng cách lựa chọn 5% nguyên tử linh động nhất và 5%
nguyên tử kém linh động nhất. Sử dụng mô phỏng ĐLHPT, nhóm tác giả đã theo
dõi sự dịch chuyển vô hướng của các hạt và môi trường địa phương của chúng
thông qua việc tính toán hàm PBXT và số phối trí. Kết quả cho thấy các hạt linh
động dường như có trật tự địa phương kém hơn các hạt không linh động. Các hệ
keo colloidal đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển khái niệm và công cụ để
mô tả hiện tượng động học trong chất lỏng. Một số quan sát được thực hiện cho vật
liệu keo bởi kính hiển vi đã chỉ ra rằng ở gần điểm chuyển pha VĐH, chuyển động
của các hạt tương quan mạnh với nhau và có xu hướng tạo thành đám [24, 25]. Các
hạt dường như bị giới hạn và giam hãm trong những vùng được hình thành bởi
20