Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году


Размерные зависимости коэффициента линейного расширения и модуля упругости моно- и биметаллических наночастиц

В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков, А.Н. Базулев, П.М. Ершов, Е.М. Давыденкова

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.260

Оригинальная статья

Аннотация: Проведена серия молекулярно-динамических экспериментов по охлаждению разупорядоченных металлических наночастиц Au, Cu, Al, Ti и биметаллических наносплавов Au - Cu и Ti - Al с использованием потенциала сильной связи. Получены размерные зависимости коэффициента линейного расширения и модуля упругости для моно- и биметаллических частиц. В первом приближении размерная зависимость коэффициента линейного расширения обратно пропорциональна соответствующей зависимости для температуры плавления наночастицы, что коррелирует с аналитической моделью. Молекулярно-динамические результаты предсказывают более умеренный относительный рост коэффициента линейного расширения, по сравнению с аналитической моделью. Установлено, что модуль упругости увеличивается с уменьшением размера наночастиц.

Ключевые слова: биметаллические наночастицы, метод молекулярной динамики, потенциал сильной связи, коэффициент линейного расширения, объёмный модуль упругости, размерная зависимость, аппроксимация

  • Мясниченко Владимир Сергеевич – научный сотрудник кафедры общей физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Базулев Анатолий Николаевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Ершов Павел Михайлович – аспирант кафедры общей физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Давыденкова Екатерина Михайловна – студентка 2 курса магистратуры физико-технического факультета ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Ссылка на статью:

Мясниченко, В.С. Размерные зависимости коэффициента линейного расширения и модуля упругости моно- и биметаллических наночастиц / В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков, А.Н. Базулев, П.М. Ершов, Е.М. Давыденкова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2020. — Вып. 12. — С. 260-273. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.260.

Полный текст: download PDF file

Библиографический список:

1. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. – Тверь: Тверcкой государственный университет, 2018. – 176 с.
2. Samsonov, V.M. On the size dependence of the heats of melting of metal nanoclusters / V.M. Samsonov, N.Yu. Sdobnyakov, S.A. Vasilyev, D.N. Sokolov // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. – 2016. – V. 80. – I. 5. – P. 494-496. DOI: 10.3103/S1062873816050166.
3. Samsonov, V.M. Size dependence of the surface energy and surface tension of metal nanoparticles / V.M. Samsonov, A.A. Chernyshova, N.Yu. Sdobnyakov // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. – 2016. – V. 80. – I. 6. – P. 698-701. DOI: 10.3103/S1062873816060290.
4. Sdobnyakov, N.Yu. Size dependence of the entropies of melting and crystallisation of metal nanoparticles / N.Yu. Sdobnyakov, A.D. Veselov, P.M. Ershov, et al. // Computational Materials Science. – 2018. – V. 153. – P. 153-158. DOI: 10.1016/j.commatsci.2018.06.037.
5. Samsonov, V.M. Size dependence of the melting temperature of metallic films: two possible scenarios / V.M. Samsonov, N.Yu. Sdobnyakov, A.G. Bembel, D.N. Sokolov, N.V. Novozhilov // Journal of Nano- and Electronic Physics. – 2013. – V. 5. – № 4. – P. 04005-1-04005-3.
6. Myasnichenko, V.S. Molecular dynamic investigation of size-dependent surface energy of icosahedral copper nanoparticles at different temperature / V.S. Myasnichenko, M. Razavi, M. Outokesh, N.Yu. Sdobnyakov, M.D. Starostenkov // Letters on materials. – 2016. – V. 6. – I. 4. – P. 266-270. DOI: 10.22226/2410-3535-2016-4-266-270.
7. Кривцов, А.М. О механических характеристиках наноразмерных объектов / А.М. Кривцов, Н.Ф. Морозов // Физика твердого тела. – 2002. – Т. 44. – Вып. 12. – С. 2158-2163.
8. Магомедов, М.Н. Об изменении модуля упругости при уменьшении размера нанокристалла / М.Н. Магомедов // Письма в журнал технической физики. – 2013. – Т. 39. – Вып. 9. – С. 9-17.
9. Магомедов, М.Н. Размерная зависимость упругих свойств нанокристалла аргона / М.Н. Магомедов // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61. – Вып. 1. – C. 148-153. DOI: 10.21883/FTT.2019.01.46905.175.
10. Магомедов, М.Н. Изменение термодинамических свойств при уменьшении размера нанокристалла германия в различных P–T –условиях / М.Н. Магомедов // Российские нанотехнологии. – 2019. – Т. 14. – № 1-2. – С. 19-30. DOI: 10.21517/1992-7223-2019-1-2- 19-30.
11. Магомедов, М.Н. О зависимости коэффициента теплового расширения от размера и формы нанокристалла / М.Н. Магомедов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2014. – Вып. 6. – С. 239-246.
12. Sun, H.L. Size- and temperature-dependent Young’s modulus and size-dependent thermal expansion coefficient of nanowires / H.L. Sun, L.Y. Chen, S. Sun, T.-Y. Zhang // Science China Technological Sciences. – 2018. – V. 61. – № 5. – P. 687-698. DOI: 10.1007/s11431-018-9227- 8.
13. Zhu, Y.F. Modeling of the melting point, Debye temperature, Thermal expansion coefficient, and specific heat of nanostructured materials // .F. Zhu, J.S. Lian, Q. Jiang// The Journal of Physical Chemistry C. – 2009. – V. 113. – I. 39. – P. 16896-16900. DOI: 10.1021/jp902097f
14. Singh, M. Modelling of thermal expansion coefficient and specific heat of nanomaterials / M. Singh // National University of Lesotho International Science, Technology and Innovation Conference and Expo (NULSTICE 2018), 23-26 January 2018, Maseru, Lesotho: proceedings. – Lesotho: National University of Lesotho, 2018. – P. 81-84.
15. Singh, M. Impact of size and temperature on thermal expansion of nanomaterials / M. Singh, M. Singh // PRAMANA – Journal of Physics. – 2015. – V. 84. – № 4. – P. 609-619. DOI: 10.1007/s12043-014-0844-0
16. Omar, M.S. Models for mean bonding length, melting point and lattice thermal expansion of nanoparticle materials / M.S. Omar // Materials Research Bulletin. – 2012. – V. 47. – I. 11. P. 3518-3522. DOI: 10.1016/j.materresbull.2012.06.067.
17. Sdobnyakov, N.Yu. Correlation between the size-dependent melting and crystallization temperatures of metal nanoparticles / N.Yu. Sdobnyakov, S.V. Repchak, V.M. Samsonov, et al. // Journal of surface investigation. x-ray, synchrotron and neutron techniques. – 2011. – V. 5. – I. 3. – P. 508-511. DOI: 10.1134/S1027451011050120.
18. Сдобняков, Н.Ю. Влияние структуры и симметрии на термодинамические свойства наночастиц с «магическим» числом атомов / Н.Ю. Сдобняков, В.С. Мясниченко, А.П. Андрийчук, Д.Н. Соколов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2014. – Вып. 6. – С. 362-369.
19. Самсонов, В.М. Об особенностях поведения размерной зависимости температуры плавления нанокластеров золота и меди: методы Монте-Карло и молекулярной динамики / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, П.В. Комаров, В.С. Мясниченко, С.А. Васильев, Д.Н. Соколов // Четвертый международный междисциплинарный симпозиум «Физика поверхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы», 16-21 сентября 2014, пос. Южный: труды симпозиума. – Нальчик – Ростов н/Д – Грозный – пос. Южный: Изд-во Фонд науки и образования, 2014. – С. 90-92.
20. Самсонов, В.М. Молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации наночастиц / В.М. Самсонов, С.С. Харечкин, С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Ю.Я. Гафнер // Кристаллография. – 2009. – Т. 54. – № 3. – С. 530-536.
21. Buffat, Ph. Size effect on the melting temperature of gold particles / Ph. Buffat, J-P. Borel // Physical Review A. – 1976. – V. 13. – I. 6. – P. 2287-2298. DOI: 10.1103/PhysRevA.13.2287.
22. Гафнер, С.Л. Моделирование методом молекулярной динамики процессов структурообразования нанокластеров никеля и меди в рамках потенциала сильной связи: дис. … докт. физ.-мат. наук: 1.04.07: защищена 25.05.11 / Гафнер Светлана Леонидовна. – Барнаул: ХГУ, 2011. – 344 с.
23. Вахрушев, А.В. Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик нанообъектов и композиционных материалов на их основе / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, А.А. Вахрушев, А.А. Шушков, А.В. Шушков // Химическая физика и мезоскопия. – 2010. – Т. 12. – № 4. – С. 487-495.
24. Myasnichenko, V.S. Formation of fivefold axes in the FCC-metal nanoclusters / V.S. Myasnichenko, M.D. Starostenkov // Applied Surface Science. – 2012. – V. 260. – P. 51-53. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.03.039.
25. Myasnichenko, V. Representation of initial temperature as a function in simulated annealing approach for metal nanoparticle structures modeling / V. Myasnichenko, S. Fidanova, R. Mikhov, L. Kirilov, N. Sdobnyakov // Advances in High Performance Computing. HPC 2019. In: Studies in Computational Intelligence; ed. by I. Dimov, S. Fidanova. – Cham: Springer, Cham, 2021. – V. 902. – P. 61-72.
26. Myshlyavtsev, A.V. A systematic computational study of the structure crossover and coordination number distribution of metallic nanoparticles / A.V. Myshlyavtsev, P.V. Stishenko, A.I. Svalova // Physical Chemistry Chemical Physics. 2017. – V. 19. – I. 27. – P. 17895-17903. DOI: 10.1039/C6CP07571A.
27. Cleri, F. Tight binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Reveiw B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – Р. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
28. Karolewski, M.A. Tight-binding potentials for sputtering simulations with fcc and bcc metals / M.A. Karolewski // Radiation Effects and Defects in Solids. – 2001. – V. 153. – I. 3. – P. 239-255. DOI: 10.1080/10420150108211842.
29. Miller, A.R. Pascal programs for scientists and engineers / R.A. Miller. – Berkeley, CA: SYBEX, 1981. – XXI, 374 p.
30. Мясниченко, В.С. О температурной зависимости коэффициента линейного расширения и структурных превращениях в титансодержащих биметаллических нанокластерах / В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков, П.М. Ершов, Е.М. Давыденкова, Ю.Н. Акимова // Первый междисциплинарный научный конгресс «Фазовые переходы и Новые материалы» PT&NM-2020, 1-10 сентября 2020, Нальчик-Ростов-на-Дону-Москвапос. Шепси: труды конгресса. – Ростов-на-Дону: Фонд науки и образования, 2020. – С. 270-272