Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 2. Научные и нанотехнологические аспекты роли поверхностного плавления в наночастицах и наносистемах

doi:10.26456/pcascnn/2023.15.571

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

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.571

Оригинальная статья

Аннотация: С учетом результатов наших молекулярно-динамических экспериментов сделан вывод, что из трех обычно рассматриваемых альтернативных моделей плавления наночастиц (гомогенного плавления, жидкой оболочки, нуклеации и роста жидкости) последняя наиболее адекватна. Вместе с тем, более адекватна модель, отвечающая сочетанию непрерывного плавления на начальной стадии процесса с его последующим скачкообразным завершением. Иными словами, нуклеация и рост жидкоподобного поверхностного слоя происходят до достижения некоторого критического радиуса кристаллического ядра частицы, а затем плавление завершается очень быстро, почти скачкообразно (за доли нс) при температуре, интерпретируемой как температура плавления наночастицы T_m. Далее обсуждается роль поверхностного плавления в спекании наночастиц. В соответствии с нашими результатами, спекание металлических наночастиц при высоких температурах нельзя свести к единственному механизму: определенную роль играют поверхностное плавление, поверхностная и объемная диффузия, деформация в зоне контакта и коллективные эффекты, связанные с перемещениями не отдельных атомов, а групп атомов. Выдвинута и обоснована гипотеза о том, что введенная нами ранее переопределенная температура Таммана T_T = 0,5T_m отвечает переключению сценария спекания металлических наночастиц, завершающегося формированием гантелеобразного нанокристалла, на сценарий, отвечающий коалесценции твердых наночастиц, которая завершается формированием дефектного нанокристалла формы, близкой к сферической.

Ключевые слова: поверхностное плавление, металлические наночастицы, механизмы плавления, коалесценция и спекание, термодинамика, молекулярная динамика, метод погруженного атома, потенциал сильной связи

Самсонов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики , 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»
Талызин Игорь Владимирович – к.ф.-м.н., 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. 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. — С. 571-588. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.571.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Самсонов В.М. Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 1. Закономерности и механизмы поверхностного плавления макроскопических фаз и наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – C. 554-570. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.554.
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. Петров, Ю.И. Физика малых частиц / Ю.И. Петров – М.: Наука, 1982. – 359 с.
4. Pawlow, P. Über die abhängigkeit des schmelzpunktes von der oberflächenenergie eines festen körpers (zusatz) / P. Pawlow // Zeitschrift Für Physikalische Chemie. – 1909. – V. 65u. – I. 1. – P. 545-548. DOI: 10.1515/zpch-1909-6532.
5. Самсонов, В.М. Сравнительное молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации нанокластеров никеля и золота / В.М. Самсонов, А.Г. Бембель, О.В. Шакуло, С.А. Васильев // Кристаллография. – 2014. – Т. 59. – Вып. 4. – С. 641-647.
6. Самсонов, В.М. Молекулярно-динамическое исследование размерной зависимости теплоты плавления металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, А.Г. Бембель и др. // Физика твердого тела. – 2014. – Т. 56. – Вып. 12. – С. 2289-2292.
7. Самсонов, В.М. Комплексный подход к компьютерному моделированию плавления и кристаллизации нанокластеров золота / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, А.Г. Бембель и др. // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». – 2013. – Т. 2. – Вып. 4. – С. 448-451. DOI: 10.1134/S2304487X13040160.
8. Самсонов, В.М. Комплексное применение атомистического и термодинамического моделирования к исследованию размерной зависимости температуры плавления металлических наночастиц / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2017. – Вып. 9. – С. 411-421. DOI: 10.26456/pcascnn/2017.9.411.
9. Самсонов, В.М. О размерной зависимости теплоты плавления металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, С.А. Васильев и др. // Известия РАН. Серия физическая. – 2016. – Т. 80. – № 5. – С. 547-550. DOI: 10.7868/s0367676516050161.
10. Самсонов, В.М. О причинах гистерезиса плавления и кристаллизации наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин и др. // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2016. – Т. 103. – Вып. 2. – С. 100-105. DOI: 10.7868/s0370274x16020041
11. Samsonov, V.M. Molecular dynamics simulation of melting and freezing of gold nanoclusters / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, S.A. Vasilyev // Proceedings of the International Conference Nanomaterials: Applications and Properties. – 2013. – V. 2. – I. 2. – Art. № 02PCN11. – 3 p.
12. Самсонов, В.М. Молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации наночастиц / В.М. Самсонов, С.С. Харечкин, С.Л. Гафнер и др. // Кристаллография. – 2009. – Т. 54. – Вып. 3. – С. 530-536.
13. Самсонов, В.М. О структурных переходах в наночастицах / В.М. Самсонов, С.С. Харечкин, С.Л. Гафнер и др. // Известия РАН. Серия физическая. – 2010. – Т. 74. – Вып. 5. – С. 707-710.
14. Сдобняков, Н.Ю. Исследование термодинамических характеристик нанокластеров золота с использованием многочастичного потенциала Гупта / Н.Ю. Сдобняков, П.В. Комаров, Д.Н. Соколов и др. // Физика металлов и металловедение. – 2011. – Т. 111. – Вып. 1. – С. 15-22.
15. 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.
16. Qi Y. Melting and crystallization in Ni nanoclusters: The mesoscale regime / Y. Qi, T. Çağin, W.L. Johnson et al. // The Journal of Chemical Physics. – 2001. – V. 115. – I. 1. – P. 385-394. DOI: 10.1063/1.1373664.
17. Song, P. Experimental and numerical study of nanoparticles for potential energy applications / P. Song // A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy. – London: University of London, 2010. – 320 p.
18. 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.
19. Castro, T. Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters / T. Castro, R. Reifenberger, E. Choi, R.P. Andres // Physical Review B. – 1990. – V. 42. – I. 13. – P. 8548-8556. DOI: 10.1103/physrevb.42.8548.
20. Dick, K. Size-dependent melting of silica-encapsulated gold nanoparticles / K. Dick, T. Dhanasekaran, Zh. Zhang et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2002. – V. 124. – I. 10. – P. 2312-2317. DOI: 10.1021/ja017281a.
21. Duan, H., Influence of size on melting thermodynamics of nanoparticles: mechanism, factors, range, and degree / H. Duan, Y. Xue, Z. Cui et al. // Particle & Particle Systems Characterization. – 2018. – V. 35. – I. 8. – Art. № 1800156. – 6 p. DOI: 10.1002/ppsc.201800156.
22. 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 et al. // Nature Communications. – 2019. – V. 10. – Art. № 2583. – 8 p. DOI: 10.1038/s41467-019-10713-z.
23. Delgado-Callico, L. A universal signature in the melting of metallic nanoparticles / L. Delgado-Callico, K. Rossi, R. Pinto-Miles et al. // Nanoscale. – 2021. – V. 13. – I. 2. – P. 1172-1180. DOI: 10.1039/d0nr06850k.
24. Zeni, C. Data-driven simulation and characterisation of gold nanoparticle melting / C. Zeni, K. Rossi, T. Pavloudis et al. // Nature Communications. – 2021. – V. 12. – Art. № 6056. – 8 p. DOI: 10.1038/s41467-021-26199-7.
25. Samsonov, V.M. When mechanisms of coalescence and sintering at the nanoscale fundamentally differ: Molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, V.V. Puytov et al. // The Journal of Chemical Physics. – 2022. – V. 156. – I. 21. – Art. № 214302. – 52 p. DOI: 10.1063/5.0075748.
26. 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.
27. Suliz, K.V. Control of cluster coalescence during formation of bimetallic nanoparticles and nanoalloys obtained via electric explosion of two wires / K.V. Suliz, A.Yu. Kolosov, V.S. Myasnichenko et al. // Advanced Powder Technology. – 2022. – V. 33. – I. 3. – Art. № 103518. – 15 p. DOI: 10.1016/j.apt.2022.103518.
28. Sdobnyakov, N. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles / N. Sdobnyakov, A. Khort, V. Myasnichenko et al. // Computational Materials Science. – 2020. – V. 184. – Art. № 109936. – 12 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.109936.
29. Dai, Y. The physical chemistry and materials science behind sinter-resistant catalysts / Y. Dai, P. Lu, Z. Cao et al. // Chemical Society Reviews. – 2018. – V. 47. – I. 12. – P. 4314-4331. DOI: 10.1039/c7cs00650k.
30. Андриевский, Р.А. Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и перспективы / Р.А. Андриевский. – М.: Бином, 2012. – 255 c.
31. 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.
32. Wronski, C.R.W. The size dependence of the melting point of small particles of tin / C.R.W. Wronski // British Journal of Applied Physics. – 1967. – V. 18. – № 12. – P. 1731-1737. DOI: 10.1088/0508-3443/18/12/308.
33. 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.
34. Liang, T. Size-dependent melting modes and behaviors of Ag nanoparticles: a molecular dynamics study / T. Liang, D. Zhou, Z. Wu, P. Shi // Nanotechnology. –2017. – V. 28. – I. 48. – Art. № 485704. – 19 p. DOI: 10.1088/1361-6528/aa92ac.
35. Kofman, R. A. Melting of clusters approaching 0D / R. Kofman, P. Cheyssac, Y. Lereah et al. // The European Physical Journal D. – 1999. – V. 9. – I. 1. – P. 441-444. DOI: 10.1007/s100530050475.
36. Пуйтов, В.В. Закономерности и механизмы коалесценции нанокапель и спекания металлических наночастиц: молекулярно-динамическое моделирование / В.В. Пуйтов, А.А. Романов, И.В. Талызин и др. // Известия Академии наук. Серия химическая. – 2022. – № 4. – С. 686-693.
37. Самсонов, В.М. О механизмах коалесценции нанокапель и спекания твердых наночастиц /В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, и др. // Коллоидный журнал. – 2020. – Т. 82. – Вып. 5. – С. 618-629. DOI: 10.31857/s0023291220050158.
38. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – P. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
39. Свидетельство № 2013610101 Российская Федерация. Компьютерная программа для молекулярнодинамического моделирования нанокластеров: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / В.М. Самсонов, А.Г. Бембель, М.Ю. Пушкарь; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тверской государственный университет». – № 2013610101; заявл. 08.11.2012; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 09.01.2013. – 1 с.
40 Sambles, J.R. An electron microscope study of evaporating gold particles: Kelvin equation for liquid gold and the lowering of melting point of solid gold particles / J.R. Sambles // Proceedings of The Royal Society A. – 1971. – V. 324. – I. 1558. – P. 339-351. DOI: 10.1098/rspa.1971.0143.
41. Yuk, J.M. In situ atomic imaging of coalescence of Au nanoparticles on graphene: rotation and grain boundary migration / J.M. Yuk, M. Jeong, S.Y. Kim et al. // Chemical Communications. – 2013. – V. 49. – I. 98. – P. 11479-11481. DOI: 10.1039/c3cc46545d.
42. Surrey, A. Quantitative measurement of the surface self-diffusion on au nanoparticles by aberrationcorrected transmission electron microscopy / A. Surrey, D. Pohl, L. Schultz et al. // Nano Letters. – 2012. – V. 12. – I. 12. – P. 6071-6077. DOI: 10.1021/nl302280x.
43. Алымов, М.И. Коагуляция наночастиц золота в тонких аморфных пленках при облучении пучком быстрых электронов / М.И. Алымов, А.А. Тимофеев, А.Г. Гнедовец // Российские нанотехнологии. – 2013. – Т. 8. – № 11-12. – С. 40-47.
44. Samsonov, V.M. Solid-state wetting at the nanoscale: molecular dynamics and surface diffusion approach / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, I.V. Popov et al. // Surface Innovations. – 2017. – V. 5. – I. 3. – P. 161-169. DOI: 10.1680/jsuin.17.00015.
45. Болеста А.В. Плавление на контакте при соударении кластера никеля с жесткой стенкой/ А.В. Болеста, И.Ф. Головнев, В.М. Фомин // Физическая мезомеханика – 2001. – Т. 4. – № 1. – С. 5-10.
46. Самсонов, В.М. О проблеме применения концепции температуры Таммана к наноразмерным объектам: к 160-летию Густава Таммана / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, В.В. Пуйтов и др. // Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – C. 503-512. DOI:10.26456/pcascnn/2021.13.503.
47. 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.

⇐ Предыдущая статья | Содержание |