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

О проблеме устойчивости/неустойчивости в тернарных наночастицах Сu-Fe-Ni типа ядро-оболочка

Н.И. Непша, Д.Н. Соколов, А.Ю. Колосов, К.Г. Савина, Р.Е. Григорьев, Н.Ю. Сдобняков

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.517

Оригинальная статья

Аннотация: Статья посвящена исследованию стабильности тернарных наночастиц Cu-Fe-Ni (состоящих из 5400 атомов) с типом структуры ядро-оболочка и ее взаимосвязи с поверхностной сегрегацией. Основноевнимание уделяется моделированию их структурообразования с помощью программного обеспечения LAMMPS. Авторы проверяют гипотезу о том, что устойчивость наночастиц зависит отспонтанного выделения одного из компонентов на поверхность. Рассматриваются три конфигурации с различным распределением атомов (конфигурация Cu45Fe45Ni10 со случайным распределением атомов, а также конфигурации – Cu25Fe25@Ni50 и Fe25Ni25@Cu50), и для каждой выполнено численное моделирование с применением метода молекулярной динамики, а также с использованием потенциалов сильной связи и метода погруженного атома. Анализ показал, что медь склонна к поверхностной сегрегации, а никель концентрируется в ядре, что значительно влияет на механические свойства наночастиц. Выявлены закономерности образования дефектов и их влияние на прочность наноструктур. В статье отмечается, что правильный выбор оболочки и ядраможет как стабилизировать, так и дестабилизировать наночастицы, что открывает перспективы для практического применения этих материалов.

Ключевые слова: метод молекулярной динамики, LAMMPS, потенциал погруженного атома, потенциал сильной связи, метод сопоставления полиэдрических шаблонов, тернарные наночастицы, никель, медь, железо, структурообразование, калорические кривые

  • Непша Никита Игоревич – аспирант 4 года обучения 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»
  • Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Савина Ксения Геннадьевна – аспирант 2 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Григорьев Роман Евгеньевич – аспирант 3 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Сдобняков Николай Юрьевич – д.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Ссылка на статью:

Непша, Н.И. О проблеме устойчивости/неустойчивости в тернарных наночастицах Сu-Fe-Ni типа ядро-оболочка / Н.И. Непша, Д.Н. Соколов, А.Ю. Колосов, К.Г. Савина, Р.Е. Григорьев, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 517-531. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.517.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Wang, H.-L. One-step synthesis of Cu@FeNi core-shell nanoparticles: Highly active catalyst for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane / H.-L. Wang, J.-M. Yan, Z.-L. Wang, Q. Jiang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – V. 37. – I. 13. – P. 10229-10235. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.04.007.
2. Asakura, H. Fe-modified CuNi alloy catalyst as a nonprecious metal catalyst for three-way catalysis / H. Asakura, M. Kirihara, K. Fujita et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2020. – V. 59. – I. 45 – P. 19907-19917. DOI: 10.1021/acs.iecr.0c03389.
3. Khalaf, M.M. A facile chemical synthesis of CuxNi(1−x)Fe2O4 nanoparticles as a nonprecious ferrite material for electrocatalytic oxidation of acetaldehyde / M.M. Khalaf, H.M. Abd el-Lateef, A.O. Alnajjar, I.M.A. Mohamed // Scientific Reports. – 2020. – V. 10. – Art. № 2761 – 14 p. DOI: 10.1038/s41598-020-59655-3.
4. Khlebnikova, Yu. V. Creation of a sharp cube texture in ribbon substrates of Cu–40% Ni–M (M = Fe, Cr, V) ternary alloys for high-temperature second generation superconductors / Yu.V. Khlebnikova, D.P. Rodionov, I.V. Gervas’eva et al. // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – V. 117. – I. 11 – P. 1129-1137. DOI: 10.1134/S0031918X16110077.
5. Fang, F. Bonding of silicon nitride ceramics using Fe–Ni/Cu/Ni/Cu/Fe–Ni interlayers / F. Fang, C. Zheng, H.Q. Lou, R. Sui // Materials Letters. – 2001. – V. 47. – I. 3. – P. 178-181. DOI: 10.1016/S0167-577X(00)00232-9.
6. Goupil, G. Anodic behavior of mechanically alloyed Cu–Ni–Fe and Cu–Ni–Fe–O electrodes for aluminum electrolysis in low-temperature KF-AlF3 electrolyte / G. Goupil, S. Helle, B. Davis et al. // Electrochimica Acta. – 2013. – V. 112. – P. 176-182. DOI: 10.1016/j.electacta.2013.08.157.
7. Arslan, H. Determination of surface tension of liquid ternary Ni–Cu–Fe and sub-binary alloys / H. Arslan, A. Dogan // Philosophical Magazine. – 2019. – V. 99. – I. 10 – P. 1206-1224. DOI: 10.1080/14786435.2019.1576937.
8. Brillo, J. Density and surface tension of liquid ternary Ni–Cu–Fe alloys / J. Brillo, I. Egry, T. Matsushita // International Journal of Thermophysics. – 2006. – V. 27. – I. 6. – P. 1778-1791. DOI: 10.1007/s10765-006-0121-7.
9. Sarac, U. Differences observed in the surface morphology and microstructure of Ni-Fe-Cu ternary thin films electrochemically deposited at low and high applied current densities / U. Sarac, M. Kaya, M. C. Baykul // Journal of Physics: Conference Series. – 2016. – V. 766. – Art. № 012025. – 6 p. DOI: 10.1088/1742-6596/766/1/012025.
10. Zhu, L.-S. Influence of Ni on Cu precipitation in Fe-Cu-Ni ternary alloy by an atomic study / L.-S. Zhu, S.-J. Zhao // Chinese Physics B. – 2014. – V. 23. – № 6 – Art. № 063601. – 6 p. DOI: 10.1088/1674-1056/23/6/063601.
11. Wang, Y. Precipitation kinetics in binary Fe–Cu and ternary Fe–Cu–Ni alloys via kMC method / Y. Wang, J. Yin, X. Liu et al. // Progress in Natural Science: Materials International. – 2017. – V. 27. – I. 4. – P. 460-466. DOI: 10.1016/j.pnsc.2017.06.005.
12. You, L.-J. Influence of Cu precipitation on tensile properties of Fe–Cu–Ni ternary alloy at different temperatures by molecular dynamics simulation / L.-J. You, L.-J. Hu, Y.-P. Xie, S.-J. Zhao // Computational Materials Science. – 2016. – V. 118. – P. 236-244. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.03.018.
13. Liu, K. Effect of Ni and vacancy concentration on initial formation of Cu precipitate in Fe–Cu–Ni ternary alloys by molecular dynamics simulation / K. Liu, L.-J. Hu, Q.-F. Zhang et al. // Chinese Physics B. – 2017. – V. 26. – № 8. – Art. № 083601. – 7 p. DOI: 10.1088/1674-1056/26/8/083601.
14. Samsonov, V.M. On the problem of stability/instability of bimetallic core-shell nanostructures: molecular dynamics and thermodynamic simulations / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, A.Yu. Kartoshkin, S.A. Vasilyev et al. // Computational Materials Science. – 2021. – V. 199. – Art. №110710. – 11 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110710.
15. Atomsk. – Режим доступа: www.url: https://atomsk.univ-lille.fr. – 01.09.2024. 16. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. – Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. – 02.09.2024.
17. 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.
18. Bonny. G. Ternary Fe-Cu-Ni many-body potential to model reactor pressure vessel steels: First validation by simulated thermal annealing. / G. Bonny, R.C. Pasianot, N. Castin, L. Malerba // Philosophical Magazine. –2009. – V. 89. – I. 34-36. – P. 3531-3546. DOI: 10.1080/14786430903299824.
19. 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.
20. 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.
21. 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.
22. OVITO Open Visualization Tool. – Режим доступа: www.url: http://www.ovito.org. – 25.08.2024.
23. Larsen, P.M. Robust structural identification via polyhedral template matching / P.M. Larsen, S. Schmidt, J. Schiøtz // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2016. – V. 24. – № 5. – Art. № 055007. 18 p. DOI: 10.1088/0965-0393/24/5/055007.
24. Свидетельство № 2019661915 Российская Федерация. Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, П.М. Ершов, С.С. Богданов; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет». – № 2019660847; заявл. 30.08.2019; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.09.2019. – 1 с.
25. Khort, A. Solution combustion synthesis of single-phase bimetallic nanomaterials / A. Khort, S. Roslyakov, P. Loginov // Nano-Structures & Nano-Objects. – 2021. – V. 26. – Art. № 100727. – 5 p. DOI: 10.1016/j.nanoso.2021.100727.
26. Celino, M. Role of defective icosahedra in undercooled copper / M. Celino, V. Rosato, A. Di Cicco // Physical Review B. – 2007. – V. 75. – I. 17. – P. 174210-1-174210-5. DOI: 10.1103/PhysRevB.75.174210.
27. 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.
28. Hu, B. Pseudo-Janus Zn/Al-based nanocomposites for Cr(VI) sorption/remediation and evolved photocatalytic functionality / B. Hu, W. Liu, W. Gao et al. // Chemical Engineering Journal. – 2015. – V. 277. – P. 150-158. DOI: 10.1016/j.cej.2015.04.104.
29. Непша, Н.И. Сценарии структурообразования в тернарных наночастицах на основе Pd-Pt при наличии допанта Ni / Н.И. Непша, Д.Н. Соколов, Е.С. Митинев, А.А. Тактаров, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 507-519. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.507.
30. 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.
31. 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.
32. 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.
33. 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 и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 589-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒