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

Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 1. Закономерности и механизмы поверхностного плавления макроскопических фаз и наночастиц

В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.В. Пуйтов

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.554

Оригинальная статья

Аннотация: Данная работа отвечает первой части серии из двух статей, опубликованных в данном выпуске журнала и сочетающий краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований, а также результатов атомистического моделирования поверхностного плавления в объемных телах и в наночастицах, с представлением наших собственных молекулярно-динамических результатов. Нами изучались закономерности и механизмы поверхностного плавления в металлических наночастицах (золота, серебра, меди, свинца и никеля). Наиболее детально закономерности и механизмы данного явления исследовались на наночастицах золота и серебра. Установлено, что эффект поверхностного предплавления характерен для наночастиц всех указанных выше металлов, хотя с уменьшением размера частиц этот эффект проявляется в меньшей степени. Кроме того, наши молекулярно-динамические результаты не подтвердили теоретические предсказания некоторых авторов о существовании вполне определенного характерного (критического) радиуса наночастиц, ниже которого эффект поверхностного плавления полностью отсутствует.

Ключевые слова: поверхностное плавление (предплавление), металлические наночастицы, молекулярная динамика, метод погруженного атома, LAMMPS

  • Самсонов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Талызин Игорь Владимирович – к.ф.-м.н., научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Васильев Сергей Александрович – к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Пуйтов Владимир Владимирович – лаборант Управления научных исследований , ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Ссылка на статью:

Самсонов, В.М. Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 1. Закономерности и механизмы поверхностного плавления макроскопических фаз и наночастиц / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.В. Пуйтов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 554-570. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.554.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Dash, J.G. Surface melting / J.G. Dash // Contemporary Physics. – 1989. – V. 30. – I. 2. – P. 89-100. DOI: 10.1080/00107518908225509.
2. Dash, J.G. History of the search for continuous melting / J.G. Dash // Reviews of Modern Physics. – 1999. – V. 71. – I. 5. – P. 1737-1743. DOI: 10.1103/RevModPhys.71.1737.
3. Базаров, И.П. Термодинамика. Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. / И.П. Базаров. – М.: Высшая школа, 1991. – 376 с.
4. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика: в 10 т. Т. 5. Ч. 1: Статистическая физика. Часть 1. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Физматлит, 2002, 616 с.
5. Лифшиц, Е.М. Избранные труды. Физика реальных кристаллов и неупорядоченных систем / Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1987. – С. 407-410.
6. Faraday, M. Faraday's first public report of his work on the subject was in a lecture at the Royal Institution in in the Athenaeum (1850) / M. Faraday // Faraday’s Diary. – London: Bell & Sons, 1933. – V. 4. – P. 79-81.
7. Thomson, J. Note oil Professor Faraday's recent experiments on regelation / J. Thomson // Proceedings of the Royal Society of London. – 1861. – V. 11. – P. 198-204. DOI: 10.1098/rspl.1860.0041.
8. Dash, J.G. The physics of premelted ice and its geophysical consequences / J.G. Dash, A.W. Rempel, J.S. Wettlaufer // Reviews of Modern Physics. – 2006. – V. 78. – I. 3. – P. 695-741. DOI: 10.1103/RevModPhys.78.695.
9. Makkonen, L. Surface melting of ice / L. Makkonen // The Journal of Physical Chemistry B. – 1997. – V. 101. – I. 32. – P. 6196-6200. DOI: 10.1021/jp963248c.
10. Murata, K. Thermodynamic origin of surface melting on ice crystals / K. Murata, H. Asakawa, K. Nagashima, G. Sazaki // PNAS. – 2016. – V. 113. – I. 44. – P. E6741-E6748. DOI: 10.1073/pnas.1608888113.
11. Limmer, D.T. Closer look at the surface of ice / D.T. Limmer // PNAS. – 2016. – V. 113. – I. 44. – P. 12347-12349. DOI: 10.1073/pnas.1615272113.
12. Zhu, D.-M. Surface melting and roughening of adsorbed argon films / D.-M. Zhu, J.G. Dash // Physical Review Letters. – 1986. – V. 57. – I. 23. – P. 2959-2962. DOI: 10.1103/PhysRevLett.57.2959.
13. Frenken, J.W.M. Observation of surface melting / J.W.M. Frenken, J.F. van der Veen // Physical Review Letters. – 1985. – V. 54. – I. 2. – P. 134-137. DOI: 10.1103/PhysRevLett.54.134.
14. Frenken, J.W.M. Observation of surface-initiated melting / J.W.M. Frenken, P.M.J. Marée, J.F. van der Veen // Physical Review B. – 1986. – V. 34. – I. 11. – P. 7506-7516. DOI: 10.1103/physrevb.34.7506.
15. Frenken, J.W.M. Self-diffusion at a melting surface observed by He scattering / J.W.M. Frenken, J.P. Toennies, Ch. Wöll // Physical Review Letters. – 1988. – V. 60. – I. 17. – P. 1727-1730. DOI: 10.1103/physrevlett.60.1727.
16. Pluis, B. Crystal-face dependence of surface melting / B. Pluis, A.W.D. van der Gon, J.W.M. Frenken, J.F. van der Veen // Physical Review Letters. – 1987. – V. 59. – I. 23. P. 2678-2681. DOI: 10.1103/physrevlett.59.2678.
17. Prince, K.C. Anisotropy of the order-disorder phase transition on the Pb(110) surface / K.C. Prince, U. Breuer, H.P. Bonzel // Physical Review Letters. – 1988. – V. 60. – I. 12. – P. 1146-1149. DOI: 10.1103/physrevlett.60.1146.
18. Fuoss, P.H. X-ray scattering studies of the Si-SiO2 interface / P.H. Fuoss, L.J. Norton, S. Brennan, A. Fischer-Colbrie // Physical Review Letters. – 1988. – V. 60. – I. 7. – P. 600-603. DOI: 10.1103/physrevlett.60.600.
19. van der Veen, J.F. Surface melting / J.F. van der Veen, B. Pluis, A. W. Denier van der Gon // Chemistry and Physics of Solid Surfaces VII; ed. by R. Vanselow, R. Howe. – Berlin, Heidelberg: Springer, 1988. – P. 455-490. DOI: 10.1007/978-3-642-73902-6_16.
20. Peters, К.F. Melting of Pb nanocrystals / К.F. Peters, J.В. Cohen, Y.-W. Chung // Physical Review B. – 1998. – V. 57. – I. 21. – P. 13430-13438. DOI: 10.1103/physrevb.57.13430.
21. Kofman, R. Melting of clusters approaching 0D / R. Kofman, P. Cheyssac, Y. Lereah, A. Stella // The European Physical Journal D. – 1999. – V. 9. – I. 1. – P. 441-444. DOI: 10.1007/s100530050475.
22. Losurdo, M. Thermally stable coexistence of liquid and solid phases in gallium nanoparticles / M. Losurdo, A. Suvorova, S. Rubanov et al. // Nature Materials. – 2016. – V. 15. – I. 9. – P. 995-1002. DOI: 10.1038/nmat4705.
23. Wang, Z.L. Shape transformation and surface melting of cubic and tetrahedral platinum nanocrystals / Z.L. Wang, J.M. Petroski, T.C. Green, M. A. El-Sayed // The Journal of Physical Chemistry B. – 1998. – V. 102. – I. 32. – P. 6145-6151. DOI: 10.1021/jp981594j.
24. Foster, D.M. Atomic-resolution imaging of surface and core melting in individual size-selected Au nanoclusters on carbon / D.M. Foster, T. Pavloudis, J. Kioseoglou, R.E. Palmer // Nature Communications. – 2019. – V. 10 – I. 1. – Art. № 2583. – 8 p. DOI: 10.1038/s41467-019-10713-z.
25. Kryshtal, A. Direct imaging of surface melting on a single Sn nanoparticle / A. Kryshtal, S. Bogatyrenko, O. Khshanovska // Nano Letters. – 2023. – V. 23. – I. 14. – P. 6354-6359. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00943.
26. Vegh, A. Modelling surface melting of macro-crystals and melting of nano-crystals for the case of perfectly wetting liquids in one-component systems using lead as an example / A. Vegh, G. Kaptay // Calphad. – 2018. – V. 63. – P. 37-50. DOI: 10.1016/j.calphad.2018.08.007.
27. Бойнович, Л.Б. Дальнодействующие поверхностные силы и их роль в развитии нанотехнологии/ Л.Б. Бойнович // Успехи химии. – 2007. – Т. 76. – Вып. 5. – С. 510-528. DOI: 10.1070/RC2007v076n05ABEH003692.
28. Levitas, V.I. Size and mechanics effects in surface-induced melting of nanoparticles / V.I. Levitas, K. Samani // Nature Communications. – 2011. – V. 2. – I. 1. – Art. № 284. – 6 p. DOI: 10.1038/ncomms1275.
29. Гусев, А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства / А.И. Гусев. – Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 115 c.
30. Родунер, Э. Размерные эффекты в наноматериалах / Э. Родунер. – М.: Техносфера, 2010. – 352 с.
31. Nanda, K.K. Size-dependent melting of nanoparticles: Hundred years of thermodynamic model / K.K. Nanda // Indian Academy of Sciences. – 2009. – V. 72. – I. 4. – P. 617-628. DOI: 10.1007/s12043-009-0055-2.
32. Samsonov, V.M. Melting temperature and binding energy of metal nanoparticles: size dependences, interrelation between them, and some correlations with structural stability of nanoclusters / V.M. Samsonov, S.A. Vasilyev, K.K. Nebyvalova et al. // Journal of Nanoparticle Research. – 2020. – V. 22. – I. 8. – Art. № 247. – 15 p. DOI: 10.1007/s11051-020-04923-6.
33. 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.
34. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи размерных зависимостей температур плавления и кристаллизации наночастиц металлов / Н.Ю. Сдобняков, С.В. Репчак, В.М. Самсонов и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2011. – № 5. – С. 109-112.
35. Jiang, Q. Size effect on the phase stability of nanostructures / Q. Jiang, C.C. Yang // Current Nanoscience. – 2008. – V. 4. – I. 2. – P. 179-200. DOI: 10.2174/157341308784340949.
36. Chernyshev, A.P. Effect of nanoparticle size on the onset temperature of surface melting / A.P. Chernyshev // Materials Letters. – 2009. – V. 63. – I. 17. – P. 1525-1527. DOI: 10.1016/j.matlet.2009.04.009.
37. Lee, Ch. Calculating the threshold energy of the pulsed laser sintering of silver and copper nanoparticles / Ch. Lee, J.W. Hahn // Journal of the Optical Society of Korea. – 2016. – V. 20. – I. 5. – P. 601-606. DOI: 10.3807/JOSK.2016.20.5.601.
38. Alarifi, H.A. Determination of complete melting and surface premelting points of silver nanoparticles by molecular dynamics simulation / H.A. Alarifi, M. Atis, C. Ozdogan et. al. // The Journal of Physical Chemistry C. – 2013. – V. 117. – I. 23. – P. 12289-12298. DOI: 10.1021/jp311541c.
39. Samsonov, V.M. On surface pre‑melting of metallic nanoparticles: molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, S.A. Vasilyev et al. // Journal of Nanoparticle Research. – 2023. – V. 25. – I. 6. – Art. № 105. – 15 p. DOI: 10.1007/s11051-023-05743-0.
40. Thompson, A. P. LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales / A. P. Thompson, H. M. Aktulga, R. Berger et. al. // Computer Physics Communications. – 2022. – V. 271. – Art. № 108171. – 34 p. DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
41. Adams, J.B. Self-diffusion and impurity diffusion of FCC metals using the 5-frequency model and the Embedded Atom Method / J.B. Adams, S.M. Foiles, W.G. Wolfer // Journal of Materials Research. – 1989. – V. 4. – I. 1. – P. 102-112. DOI: 10.1557/JMR.1989.0102.
42. Zhou, X.W. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers / X.W. Zhou, R.A. Johnson, H.N.G. Wadley // Physical Review B. – 2004. – V. 69. – I. 14. – Art. № 144113. – 10 p. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.144113.
43. Foiles, S.M. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys / S.M. Foiles, M.I. Baskes, M.S. Daw // Physical Review B. – 1986. – V. 33. – I. 12. – P. 7983-7991. DOI: 10.1103/physrevb.33.7983.
44. Qi Y. Melting and crystallization in Ni nanoclusters: The mesoscale regime / Y. Qi, T. Çagin, W.L. Johnson, W. A. Goddard III // The Journal of Chemical Physics. – 2001. – V. 115. – I. 1. – P. 385-394. DOI: 10.1063/1.1373664.
45. Samsonov, V.M. Molecular dynamics study of the melting and crystallization of nanoparticles / V.M. Samsonov, S.S. Kharechkin, S.L. Gafner et. al. // Crystallography Reports. – 2009. – V. 54. – I. 3. – P. 526-531. DOI: 10.1134/S1063774509030250.
46. Samsonov, V.M. Comparative molecular dynamics study of melting and crystallization of Ni and Au nanoclusters / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, O.V. Shakulo, S.A. Vasilyev. // Crystallography Reports. – 2014. – V. 59. – I. 4. – P. 580-585. DOI: 10.1134/S1063774514040166.
47. Gafner, S.L. Structural transitions in small nickel clusters / S.L. Gafner, L.V. Redel’, Z.V. Goloven’ko et. al. // JETP Letters. – 2009. – V. 89. – I. 7. – P. 364-369. DOI: 10.1134/s0021364009070121.
48. Васильев, С.А. Молекулярно-динамическое моделирование термоиндуцированных структурных превращений в наночастицах металлов подгруппы меди: дисс. ... канд. физ.-мат. наук : 1.3.8. / Васильев Сергей Александрович. – Тверь: Тверской государственный университет, 2021. – 110 с.
49. Stukowski, A. Structure identification methods for atomistic simulations of crystalline materials / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2012. – V. 20. – I. 4. – Art. № 045021. 15 p. DOI: 10.1088/0965-0393/20/4/045021.
50. Polak ,W. Efficiency in identification of internal structure in simulated monoatomic clusters: Comparison between common neighbor analysis and coordination polyhedron method / W. Polak // Computational Materials Science. – 2022. – V. 201. – Art. № 11088. – 7 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110882.
51. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2010. – V. 18. – I. 1. – Art. № 015012. – 7 p. DOI: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
52. Chang, J. Surface and bulk melting of small metal clusters / J. Chang, E. Johnson // Philosophical Magazine. – 2005. – V. 85. – I. 30. – P. 3617-3627. DOI: 10.1080/14786430500228663.
53. Tian, L. Surface melting of a colloidal glass / L. Tian, C. Bechinger // Nature Communications. – 2022. – V. 13. – I. 1. – Art. № 6605. – 5 p. DOI: 10.1038/s41467-022-34317-2.
54. Surface melting of glass. Physicists make a surprising discovery when they detect surface melting in glasses. – Режим доступа: www.url: www.sciencedaily.com/releases/2022/11/221104113506.htm. – 15.07.2023.
55. Bernal, J.D. The Bakerian lecture, 1962. The structure of liquids / J.D. Bernal // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 1964. – V. 280. – I. 1382. – P. 299-322. DOI: 10.1098/rspa.1964.0147.
56. Bernal, J.D. 1960. Packing of spheres: co-ordination of randomly packed spheres / J.D. Bernal, J. Mason // Nature. – 1960. – V. 188. – I. 4754. – P. 910-911. DOI: 10.1038/188910a0.
57. Берлин, А.А. Имитация свойств твердых тел и жидкостей методами компьютерного моделирования / А.А. Берлин, Н.К. Балабаев // Соросовский образовательный журнал. Физика. – 1997. – № 11. – C. 85-92.
58. Wu, T.-C. Microstructure and surface texture driven improvement in in-vitro response of laser surface processed AZ31B magnesium alloy / T.-C. Wu, S.S. Joshi, Y.H. Ho et al. // Journal of Magnesium and Alloys. – 2021. – V. 9. – I. 4. – P. 1406-1418 DOI: 10.1016/j.jma.2020.11.002.
59. Самсонов В.М. Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 2. Научные и нанотехнологические аспекты роли поверхностного плавления в наночастицах и наносистемах / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, В.В. Пуйтов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов – 2023. – Вып. 15. – C. 571-588. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.571.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒