Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло
Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, К.Г. Савина, А.Н. Базулев, С.А. Вересов, С.В. Серов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589
Оригинальная статья
Аннотация: Исследованы фазовые переходы плавление и кристаллизация в пятикомпонентной металлической наносистеме Au-Ag-Cu-Pd-Pt эквиатомного состава. Комплексный подход к атомистическому моделированию обусловлен применением альтернативных методов компьютерного моделирования – метода молекулярной динамики и метода Монте-Карло. Межатомное взаимодействие описывалось потенциалом сильной связи. По результатам серий компьютерных экспериментов было установлено, что в пятикомпонентных наночастицах эквиатомного состава могут образовываться кристаллические фазы в процессе охлаждения. Определены температуры плавления и кристаллизации для исследуемых пятикомпонентных наночастиц. Полученные альтернативными методами значения находятся в хорошем согласии. Для пятикомпонентных наночастиц подтверждена концепция фиксирования температур, отвечающих началу и концу процесса фазового перехода. Определены металлы, входящие в состав пятикомпонентных наночастиц, атомы которых в процессе кристаллизации формируют центральную часть наночастицы (ядро) и периферийные области, включая поверхность наночастицы.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, метод Монте-Карло, потенциал сильной связи, пятикомпонентные наночастицы, структурообразование, температура плавления, температура кристаллизации
- Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Соколов Денис Николаевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Савина Ксения Геннадьевна – аспирант 1 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Базулев Анатолий Николаевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Вересов Сергей Александрович – аспирант 2 года обучения кафедры общей физики , ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Серов Сергей Викторович – студент 1 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Сдобняков, Н.Ю. Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, К.Г. Савина, А.Н. Базулев, С.А. Вересов, С.В. Серов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 589-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Шайсултанов, Д.Г. Структура и механические свойства высокоэнтропийных сплавов системы CoCrFeNiX (X=Mn, V, Mn и V, Al и Cu): дисс. ... канд. техн. наук: 05.16.01 / Шайсултанов Дмитрий Георгиевич. – Белгород: УрФУ, 2015. – 142 с.
2. Рогачев, А.С. Структура, стабильность и свойства высокоэнтропийных сплавов / А.С. Рогачев // Физика металлов и металловедение. – 2020. – Т. 121. – № 8. – С. 807-841. DOI: 10.31857/S0015323020080094.
3. Poliakov, M. Amorphous/nanocrystalline high-entropy CoCrFeNiTix thin films with low thermal coefficient of resistivity obtained via magnetron deposition / M. Poliakov, D. Kovalev, S. Vadchenko et al. // Nanomaterials. – 2023. – V. 13. – I. 13. – Art. № 2004. – 15 p. DOI: 10.3390/nano13132004.
4. Barbero, A. Synthesis and structural properties of high-entropy nanoalloys made by physical and chemical routes / A. Barbero, C.M. Da Silva, N.O. Pena et al. // Faraday Discussions. – 2023. – V. 242. – P. 129-143. DOI: 10.1039/D2FD00118G.
5. Ryltsev, R.E. Deep machine learning potentials for multicomponent metallic melts: Development, predictability and compositional transferability / R.E. Ryltsev, N.M. Chtchelkatchev // Journal of Molecular Liquids. – 2022. –V. 349. – Art. № 118181. DOI: 10.1016/j.molliq.2021.118181.
6. Balyakin, I.A. Ab initio molecular dynamics and high-dimensional neural network potential study of VZrNbHfTa melt / I.A. Balyakin, A.A. Yuryev, B.R. Gelchinski, A.A. Rempel // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2020. – V. 32. – № 21. – Art. № 214006. – 15 p. DOI: 10.1088/1361-648X/ab6f87.
7. Балякин, И.А. Атомистический расчет температуры плавления высокоэнтропийного сплава Кантора CoCrFeMnNi / И.А. Балякин, А.А. Ремпель // Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах. – 2022. – Т. 502. – C. 71-78. DOI: 10.31857/S2686953522010046.
8. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – Р. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
9. Paz Borbón, L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. – 155 p. DOI: 10.1007/978-3-642-18012-5.
10. Bogdanov, S. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core-shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching / S. Bogdanov, V. Samsonov, N. Sdobnyakov et al. // Journal of Materials Science. – 2022. – V. 57. – I. 28. – P. 13467-13480. DOI: 10.1007/s10853-022-07476-2.
11. Мясниченко, В.С. Моделирование процессов структурообразования в биметаллических наносплавах различного состава / В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2017. – Вып. 9. – С. 323-329. DOI: 10.26456/pcascnn/2017.9.323.
12. 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. – P. 015012-1-015012-7. DOI: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
13. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах. Монография / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, С.С. Богданов. – Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2021. – 168 с. DOI: 10.26456/skb.2021.168.
14. 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.
15. Вересов, С.А. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах / С.А. Вересов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 371-382. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.371.
16. Свидетельство № 2019661915 Российская Федерация. Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, П.М. Ершов, С.С. Богданов; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный университет». – № 2019660847; заявл. 30.08.2019; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.09.2019. – 1 с.
17. Sdobnyakov, N.Yu. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates / N.Yu. Sdobnyakov, V.S. Myasnichenko, C.-H. San et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – V. 238. – Art. № 121895. – 9 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.121895.
18. Daw, M.S. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals / M.S. Daw, M.I. Baskes // Physical Review B. – 1984. – V. 29. – I. 12. – P. 6443-6453. DOI: 10.1103/PhysRevB.29.6443.
19. 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.
20. 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.
21. Талызин, И.В. Идентификация сложных наноструктур ядро-оболочка по радиальным распределениям локальной плотности компонентов / И.В. Талызин, С.С. Богданов, В.М. Самсонови др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 307-320. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.307.