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

К вопросу о плавлении мезопористых материалов

А.В. Шишулин1,2, А.В. Шишулина3, А.В. Купцов3

1 ФГБОУ ВО «Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»
2 Pleiades Publ. Ltd.
3 ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.427

Краткое сообщение

Аннотация: В настоящей работе рассмотрена зависимость температуры плавления мезопористого материала от геометрических характеристик (объема и формы) распределенных в материале пор. Геометрические особенности пор задавались в рамках фрактально-геометрического подхода величинами их эффективного диаметра и фрактальной размерности. Полученные оценки свидетельствуют о том, что хорошо известный для наноразмерных частиц эффект, связанный с существенной зависимостью температуры плавления от размера и формы частицы, может также реализовываться в мезопористых (с характерным размером пор от 5 до 50 нм) материалах, при этом сами рассматриваемые мезопористые объекты могут иметь макроскопические размеры. На примере чистого мезопористого свинца показано, что уменьшение объема пор и «усложнение» их формы приводят к заметному снижению температуры плавления материала. Результаты получены в рамках когезионной модели, для наночастиц свинца верифицированной экспериментально.

Ключевые слова: фазовые превращения, плавление, мезопористые материалы, фрактальная размерность, когезия

  • Шишулин Александр Владимирович – к.х.н., старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации», технический редактор Pleiades Publ. Ltd.
  • Шишулина Анна Владимировна – к.х.н., доцент, ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
  • Купцов Алексей Владимирович – студент магистратуры 1 года обучения, ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Ссылка на статью:

Шишулин, А.В. К вопросу о плавлении мезопористых материалов / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина, А.В. Купцов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 427-436. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.427.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. – М: Академия, 2005. – 192 с.
2. Гладких, Н.Т. Поверхностные явления и фазовые превращения в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, С.В. Дукаров, А.П. Крышталь и др. – Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2004. – 276 с.
3. 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. – Art. № 247. – 15 p. DOI: 10.1007/s11051-020-04923-6.
4. Rawat, K. Theoretical analysis of thermophysical properties of nanomaterials / K. Rawat, M. Goyal // Materials Today: Proceedings. – 2021. – V. 43. – Part 2. – P. 1210-1214. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.08.754.
5. Sachin Dimensional effect on cohesive energy, melting temperature and Debye temperature of metallic nanoparticles / Sachin, B.K. Pandey, R.L. Jaiswal // Physica B: Condensed Matter. – 2023. – V. 651. – Art. № 414602. – 8 p. DOI: 10.1016/j.physb.2022.414602.
6. Mendoza-Pérez, R. Phase diagrams of refractory bimetallic nanoalloys / R. Mendoza-Pérez, S. Muhl // Journal of Nanoparticle Research. – 2020. – V. 22. – Art. № 306. – 15 p. DOI: 10.1007/s11051-020-05035-x.
7. Shirinyan, A. Melting loops in the phase diagram of individual nanoscale alloy particles: completely miscible Cu-Ni alloys as a model system / A. Shirinyan, G. Wilde, Y. Bilogorodskyy // Journal of Materials Science. – 2020. – V. 55. – I. 27. – P. 12385-12402. DOI: 10.1007/s10853-020-04812-2.
8. Талызин, И.В. О фазовой диаграмме наносплава Au-Si: молекулярно-динамическое и термодинамическое моделирование / И.В. Талызин, А.Ю. Картошкин, С.А. Васильев, М.В. Самсонов, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 364-373. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.364.
9. Шишулин, А.В. Некоторые особенности высокотемпературных фазовых равновесий в наночастицах системы Six-Ge1-x / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 268-276. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.268.
10. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на переход жидкость-твердое тело в наночастицах сплава Cr-W / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев // Неорганические материалы. – 2019. – Т. 55. – №1. – С. 16- 20. DOI: 10.1134/S0002337X19010135.
11. Shishulin, A.V. The initial composition as an additional parameter determining the melting behaviour of nanoparticles (a case study on Six-Ge1-x alloys) / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2021. – V. 18. – I. 4(38). – P. 5-13. DOI: 10.31489/2021No4/5-13.
12. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на фазовые равновесия при твердофазном расслаивании в наночастицах бинарных сплавов (на примере системы W-Cr) / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 299-307. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.299.
13. Шишулин, А.В. О влиянии внешней среды на фазовые равновесия в системе малого объема на примере распада твердого раствора Bi-Sb / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Бутлеровские сообщения. – 2017. – Т. 51. – Вып. 7. – С. 31-37.
14. 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 и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 589-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
15. Богданов, С.С. Закономерности структурообразования в бинарных наночастицах ГЦК-металлов при термическом воздействии: атомистическое моделирование / С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков. – Тверь: Тверской государственный университет, 2023. – 144 с. DOI: 10.26456/bs.2023.144.
16. 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. – Вып. 8. – С. 1133-1137.
17. Анофриев, В.А. Паттерн формирования фрактального рельефа для наноразмерных пленок молибдена / В.А. Анофриев, А.С. Антонов, Д.В. Иванов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 17-31. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.017.
18. Шишулин, А.В. К вопросу о плавлении наночастиц фрактальной формы (на примере системы Si-Ge) / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Журнал технической физики. – 2019. – Т. 89. – Вып. 9. – С. 1420-1426. DOI: 10.21883/JTF.2019.09.48069.88-19.
19. Shishulin, A.V. On the transition between ferromagnetic and paramagnetic states in mesoporous materials with fractal morphology // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2021. – V. 18. – I. 2(36). – P. 6-11. DOI: 10.31489/2021NO2/6-11.
20. Шишулин, А.В. Равновесный фазовый состав и взаимная растворимость компонентов в наночастицах фрактальной формы тяжелого псевдосплава W-Cr / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 380-388. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.380.
21. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: nanoscale effects on phase equilibria, thermal conductivity, thermoelectric performance / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Springer Proceedings in Complexity; ed. by C.H. Skiadas, Y. Dimotikalis. – Cham: Springer, 2022. – P. 421-432. DOI: 10.1007/978-3-030-96964-6_30.
22. Шишулин, А.В. К вопросу об упругих характеристиках мезопористых материалов / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 308-316. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.308.
23. Qi, W.H. Size and shape dependent melting temperature of metallic nanoparticles / W.H. Qi, M.P. Wang // Materials Chemistry and Physics. – 2004. – V. 88. – I. 2-3. – P. 281-284. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2004.04.026.
24. Qi, W.H. Modeling cohesive energy and melting temperature of nanocrystals / W.H. Qi, M.P. Wang, M. Zhou, X.Q. Chen, X.F. Zhang // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2006. – V. 67. – I. 4. – P. 851-855. DOI: 10.1016/j.jpcs.2005.12.003.
25. Aqra, F. Surface free energy of alkali and transition metal nanoparticles / F. Aqra, A. Ayyad // Applied Surface Science. – 2014. – V. 324. – P. 308-313. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.07.004.
26. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю. Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В. Иванов. – Тверь: Тверской государственный университет, 2019. – 168 с.
27. Attarian Shandiz, M. Effective coordination number model for the size dependency of physical properties of nanocrystals / M. AttarianShandiz // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2008. – V. 20. – Art. №325237. – 9 p. DOI: 10.1088/0953-8984/20/32/325237.
28. Гаев, Д.С. Кинетика образования трещин в пористом кремнии / Д.С. Гаев, С.Ш. Рехвиашвили // Физика и техника полупроводников. – 2012. – Т. 46. – Вып.2. – C. 145-149.
29. Błaszczyński, T. Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method / T. Błaszczyński, A. Ślosarczyk, M. Morawski // Procedia Engineering – 2013. – V. 57. – P. 200-206. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.04.028.
30. Chae, H.K. A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals / H.K. Chae, D.Y. Siberio-Pérez, J. Kim et al. // Nature. – 2004. – V. 427. – P. 523-527. DOI: 10.1038/nature02311.
31. Магомедов, М.Н. О вычислении размерных зависимостей фазового перехода кристалл – жидкость / М.Н. Магомедов // Журнал технической физики. – 2014. – Т. 84. – Вып. 5. – С. 232-244.
32. N’Diaye, M. Biomaterials porosity determined by fractal dimensions, succolarity and lacunarity of microcomputed tomographic images / M. N’Diaye, C. Degeratu, J.-M. Bouler, D. Chappard // Materials Science and Engineering: C. – 2013. – V. 33. – I. 4. – P. 2025-2030. DOI: 10.1016/j.msec.2013.01.020.
33. Ivanov, D.V. Determination of the fractal size of titanium films at different scales / D.V. Ivanov, A.S. Antonov, E.M. Semenova et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – V. 1758. – Art. № 012013. – 6 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1758/1/012013.
34. Shishulin, A.V.. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2022. – V. 19. – I. 3(41). – P. 10-17. DOI: 10.31489/2022No3/10-17.
35. Shishulin, A.V.. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: morphology-dependent phase equilibria in tungsten heavy pseudo-alloys // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2023. – V. 20. – I. 4(46). – P. 125-132. DOI: 10.31489/2023no4/125-132.
36. Guisbiers, G. Size-dependent material properties towards a universal equation / G. Guisbiers // Nanoscale Research Letters. – 2010. – V. 5. – Art. № 1132. – 5 p. DOI: 10.1007/s11671-010-9614-1.
37. Федосеев, В.Б. О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин // Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91. – Вып. 1. – С. 39-45. DOI: 10.21883/JTF.2021.01.50270.159-20.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒