Термодинамическое моделирование сегрегации компонентов в бинарных металлических наночастицах с использованием уравнения Ленгмюра-Маклина
Д.В. Жигунов, А.А. Романов, В.М. Самсонов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.259
Оригинальная статья
Аннотация: Разработан и апробирован метод термодинамического моделирования поверхностной сегрегации в бинарных наносплавах. Метод основывается на численном решении системы из двух уравнений: уравнения Ленгмюра-Маклина и уравнения баланса массы для двухъячеечной системы, представленной центральной областью (ядром) наночастицы и ее поверхностным слоем (оболочкой). Очевидно, впервые при применении уравнения Ленгмюра-Маклина учтена зависимость теплоты сегрегации от состава ядра и оболочки двухъячеечной модели наночастицы. Разработанный подход применен для прогнозирования поверхностной сегрегации в бинарных наночастицах Ag-Cu и Ni-Cr. Полученные результаты предсказывают поверхностную сегрегацию Ag для наносплава Ag-Cu и поверхностную сегрегацию Cr для наночастиц Ni-Cr. Показано, что поверхностная сегрегация уменьшается с уменьшением размера наночастиц (эффект истощения ядра как источника сегрегирующего компонента) и с ростом температуры. Результаты термодинамического прогнозирования поверхностной сегрегации с использованием уравнения Ленгмюра-Маклина согласуются как с результатами термодинамического моделирования, основывающегося на решении уравнения Батлера, так и с нашими результатами атомистического моделирования, полученными ранее.
Ключевые слова: бинарные наночастицы Ag-Cu и Ni-Cr, поверхностная сегрегация, термодинамическое моделирование, уравнение Ленгмюра-Маклина, теплота сегрегации
- Жигунов Дмитрий Владиславович – младший научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Романов Александр Андреевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Самсонов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка для цитирования:
Жигунов, Д.В. Термодинамическое моделирование сегрегации компонентов в бинарных металлических наночастицах с использованием уравнения Ленгмюра-Маклина / Д.В. Жигунов, А.А. Романов, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 259-266. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.259. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Bohra, M. Aggregation vs surface segregation: antagonism over the magnetic behavior of NiCr nanoparticles/ M. Bohra, V. Alman, A. Showry et. al. // ACS Omega. – 2020. – V. 5. – I. 51. – P. 32883-32889. DOI: 10.1021/acsomega.0c03056.
2. Polak, M. Alloy surface segregation and ordering phenomena: recent progress / M. Polak, L. Rubinovich // In: The Chemical Physics of Solid Surfaces. – 2002. – V. 10. – Ch. 3. – P. 86-117. DOI: 10.1016/S1571-0785(02)80090-6.
3. Kaptay, G. Modelling equilibrium grain boundary segregation, grain boundary energy and grain boundary segregation transition by the extended Butler equation / G. Kaptay //Journal of materials science. – 2016. – V. 51. – I. 4. – P. 1738-1755. DOI: 10.1007/s10853-015-9533-8.
4. Kaptay, G. Partial surface tension of components of a solution / G. Kaptay // Langmuir. – 2015. – V. 31. – I. 21. – P. 5796-5804. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b00217.
5. Самсонов, В.М. Прогнозирование сегрегации в бинарных металлических наночастицах: термодинамическое и атомистическое моделирование / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, А.Ю. Картошкин, М.В. Самсонов // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120. – № 6. – С. 630-636. DOI: 10.1134/S0015323019060111
6. Samsonov, V. Puzzles of surface segregation in binary Pt–Pd nanoparticles: molecular dynamics and thermodynamic simulations / V. Samsonov, A. Romanov, I. Talyzin et. al. // Metals. – 2023. V. 13. – I. 7. – Art. № 1269. – 20 p. DOI: 10.3390/met13071269.
7. McLean, D. Grain boundaries in metals / D. McLean, A. Maradudin // Physics Today. – 1958. – V. 11. – I. 7. – P. 35-36. DOI: 10.1063/1.3062658.
8. Tománek, D. Calculation of chemisorption and absorption induced surface segregation. / D. Tománek, S. Mukherjee, V. Kumar, K. Bennemann // Surface Science. – 1982. – V. 114. – I. 1. – P. 11-22. DOI: 10.1016/0039-6028(82)90452-6.
9. Mendoza-Pérez, R. Bimetallic Pt–Pd nano-catalyst: size, shape and composition matter / R. Mendoza-Pérez, G. Guisbiers // Nanotechnology. – 2019. – V. 30. – I. 30. – Art. № 305702. – 10 p. DOI: 10.1088/1361-6528/ab1759.
10. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. – М.: Наука, 1978. – 790 с.
11. Самсонов, В.М. Сегрегация компонентов как необходимое условие эвтектической природы сплава и наносплава / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, Д.В. Жигунов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 387-398. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.387.
12. Непша, Н.И. Вариабельность структурных превращений в биметаллических наносплавах Cu-Ag / Н.И. Непша, А.Д. Веселов, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 211-226. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.211.
13. Самсонов, В.М. Поверхностная сегрегация в бинарных металлических наночастицах: атомистическое и термодинамическое моделирование / В.М. Самсонов, А.А. Романов, И.В. Талызин, Д.В. Жигунов, В.В. Пуйтов //Известия Российской академии наук. Серия физическая. – 2024. – Т. 88. – № 5. – С. 767-773. DOI: 10.31857/S0367676524050125.
14. Ferrando, R. Nanoalloys: From theory to applications of alloy clusters and nanoparticles / R. Ferrando, J. Jellinek, R.L. Johnston // Chemical Reviews. – 2008. – V. 108 – I. 3. – P. 845-910. DOI: 10.1021/cr040090g.