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


Молекулярно-динамическое моделирование нагрева нанокластеров титана

Н.А. Панькин

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»

DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.479

Оригинальная статья

Аннотация: Методом молекулярной динамики исследовалось плавление нанокластеров титана Tin (n = 3599, 28725, 97045) с различными скоростями их нагрева (от 0,1 до и 10,0 ТК/с). Молекулярно динамическое моделирование проводили в программе LAMMPS на многопроцессорном компьютере.
Использовался многочастичный потенциал межатомного взаимодействия. Кристаллическая структура нанокластера титана при нагреве переходит в жидкую фазу через образование системы атомов (островков) с упорядоченным локальным окружением вблизи температуры плавления. Появление последних обусловлено неравновесностью моделируемого процесса нагрева – система не успевает релаксировать к равновесному состоянию для заданной температуры. Под температурой плавления принималось среднее значение между температурами начала и окончания процесса фазового перехода. Температуре начала плавления соответствовало состояние завершения образования отдельных островков. При окончании плавления, наноструктура характеризуется полностью неупорядоченной структурой. Отмечается, что температура плавления увеличивается с ростом размера наночастицы и скорости её нагрева. При этом предельные температуры рассматриваемого фазового перехода (при N → ∞) существенно ниже температуры плавления массивного титана.

Ключевые слова: титан, нанокластер, температура плавления, скорость нагрева, структура, островки, метод молекулярной динамики

  • Панькин Николай Александрович – к.ф.-м.н., доцент, доцент кафедры физического материаловедения, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»

Ссылка на статью:

Панькин, Н.А. Молекулярно-динамическое моделирование нагрева нанокластеров титана / Н.А. Панькин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 479-489. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.479.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Суздалев И.П. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства / И.П. Суздалев, П.И. Суздалев // Успехи химии. – 2001. – Т.70. – Вып. 3. – С. 203-240.
2. Смирнов, Б.М. Процессы с участием кластеров и малых частиц в буферном газе / Б.М. Смирнов // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181. – Вып. 7. – С. 713-745. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201107b.0713.
3. Макаров, Г.Н. Экстремальные процессы в кластерах при столкновении с твердой поверхностью / Г.Н. Макаров // Успехи физических наук. – 2006. – Т.176. – Вып. 2. – С. 121-174. DOI: 10.3367/UFNr.0176.200602a.0121.
4. Baletto, F. Structural properties of nanoclusters: Energetic, thermodynamic, and kinetic effects. / F. Baletto, R. Ferrando // Reviews of Modern Physics. – 2005. – V. 77. – I. 1. – C. 371-423. DOI: 10.1103/RevModPhys.77.371.
5. Самсонов, В.М. О влиянии скоростей нагрева и охлаждения на плавление и кристаллизацию металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, М.В. Самсонов // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86. – Вып.6. – С. 149-152.
6. Гафнер, С.Л. Моделирование процессов структурообразования нанокластеров меди в рамках потенциала сильной связи. / С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Ю.Я. Гафнер // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2009. – Т. 135. – Вып.5. – С. 899-916.
7. Гафнер, Ю.Я. Формирование структуры нанокластеров золота при процессах кристаллизации / Ю.Я. Гафнер, Ж.В. Головенько, С.Л. Гафнер // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2013. – Т. 143. – Вып.2. – С. 288-305.
8. Гафнер, С.Л. Структурные переходы в малых кластерах никеля / С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Ж.В. Головенько и др. // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2009. – Т. 89. – Вып.7. – С. 425-431.
9. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи между размерными зависимостями температур плавления и кристаллизации для металлических наночастиц. / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, А.Н. Базулев и др. // Расплавы. – 2012. – № 5. – С. 88-94.
10. Самсонов, В.М. Комплексный подход к атомистическому моделированию размерных зависимостей температуры и теплоты плавления наночастиц кобальта: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, И.В. Талызин и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2019. – № 12. – С. 31-35. DOI: 10.1134/S1028096019120264.
11. Полетаев, Г.М. Молекулярно-динамическое исследование зависимости температуры плавления наночастиц Ti, Ti3Al, TiAl И TiAl3 от их диаметра в вакууме и жидком алюминии / Г.М. Полетаев, А.А. Ситников, В. И. Яковлев, В. Ю. Филимонов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2022. – Т. 161. – Вып. 2. – С. 221-226. DOI: 10.31857/S0044451022020079.
12. Ивлев, В.И. Температура плавления малых частиц в модели с параметром Линдемана / В.И. Ивлев // Физика твердого тела. 1991. – Т.33. – Вып. 5. – С. 1610-1612.
13. Хеерман, Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике / Д.В. Хеерман; пер. с англ. В.Н. Задкова; под ред. С.А. Ахмановой. – М.: Наука, 1990. – 176 с.
14. Панькин, Н.А. Введение в метод классической молекулярной динамики / Н.А. Панькин, Н.А.Смоланов, Н.Ф. Кашапов. – Казань: Изд-во Казанского ун-та, 2022. – 156 с.
15. Medina, J. Structural, energetic and magnetic properties of small Tin (n = 2−13) clusters: a density functional study / J. Medina, R. de Coss, A. Tapia, G. Canto // The European Physical Journal B. – 2010. – V. 76. – I. 3. – P. 427-433. DOI: 10.1140/epjb/e2010-00214-3.
16. LAMMPS Molecular dynamics simulator. Режим доступа: www .url:http://lammps.sandia.gov. – 15.05.2022.
17. Nosé, S.A. Molecular dynamics method for simulations in the canonical ensemble / S.A. Nosé // Molecular Physics. – 1984. – V. 52. – I. 2. – Р. 255-268. DOI: 10.1080/00268978400101201.
18. Verlet, L. Computer «experiments» on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules / L. Verlet // Physical Review. – 1967. – V. 159. – I. 1. – P. 98-103. DOI: 10.1103/PhysRev.159.98.
19. Mendelev, M.I. Development of an interatomic potential for the simulation of defects, plasticity, and phase transformations in titanium / M.I. Mendelev, T.L. Underwood, G.J. Ackland // Journal of Chemical Physics. – 2016. – V.145. – I. 15. – P.154102-1-154102-11. DOI: 10.1063/1.4964654.
20. Interatomic potentials repository. Режим доступа: www.url:https://www.ctcms.nist.gov/potentials/. – 05.08.2022. DOI: 10.18434/m37.
21. OVITO – Open Visualization Tool – Scientific visualization and analysis software for atomistic simulation data. Режим доступа: www.url:https://www. ovito.org/. – 05.08.2022.
22. Honeycutt, J.D. Molecular-dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters / J.D. Honeycutt, H.C. Andersen // Journal of Chemical Physics. – 1987. – V. 91. – I. 19. – P. 4950-4963. DOI: 10.1021/j100303a014.
23. Самсонов, В.М. О фазовых переходах первого рода в кластерах никеля / В.М. Самсонов, А.Г. Бембель, О.В. Шакуло // Вестник ТвГУ. Серия «Физика». – 2011. – Вып. 13. – С. 82-93.
24. Самсонов, В.М. Флуктуационный подход к проблеме применимости термодинамики к наночастицам / В.М. Самсонов, Д.Э. Деменков, В.И. Карачаров, А.Г. Бембель // Известия РАН. Серия физическая. - 2011. - Т.75. - №8. - С.1133-1137.
25. Панькин, Н.А. Изменение структуры нанокластеров титана при термическом воздействии: молекулярно-динамическое моделирование / Н.А. Панькин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 580-592. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.580.
26. Физические величины. Справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергия. 1991. – 1232 c.
27. Sdobnyakov, N.Yu. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates / N.Yu. Sdobnyakov, V.S. Myasnichenko, Cheng-Hung San et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – V. 238. – Art. No 121895. – 9 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.121895.
28. Sdobnyakov, N.Yu. Effect of cooling rate on structural transformations in Ti-Al-V nanoalloy: molecular dynamics study / N.Yu. Sdobnyakov, V.M. Samsonov, V.S. Myasnichenko et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – V. 2052. – Art. № 012038. – 4 p. DOI: 10.1088/1742-6596/2052/1/012038.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒