Влияние термостата Нозе-Гувера на структурные превращения в тернарных наночастицах Ti-Al-V
П.М. Ершов, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко, Д.Р. Зорин, А.Д. Белозерский, Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.399
Оригинальная статья
Аннотация: Важным критерием верификации результатов атомистического моделирования является не только адекватный выбор потенциала межатомного взаимодействия и его параметров, но также выбор методологии термостатирования. В данной работе предпринята попытка качественной оценки влияния выбора термостата при моделировании структурных превращений в тернарных наночастицах Ti-Al-V. В качестве базовых использовались два термостата: термостат Андерсена и мягкий стохастический термостат, представляющий собой термостат Нозе-Гувера с добавлением случайного шума для улучшения эргодичности. Установлено, что оба используемых термостата при совпадающих условиях моделирования для наночастиц тернарного сплава Ti6Al4V предсказывают аналогичные структурные превращения при использовании различных скоростей охлаждения (от 0,2 К/пс до 100 К/пс): при малых скоростях доминируют локальные ГЦК и ГПУ фазы, с увеличением скорости охлаждения происходит постепенное уменьшение доли идентифицируемых кристаллических фаз и появляются ядра икосаэдрической симметрии. Полученные закономерности структурных превращений отражаются на поведении температурной зависимости потенциальной части удельной внутренней энергии, которая используется для идентификации температуры
кристаллизации. Кроме того, было установлено, что значения удельных внутренних энергий (в расчете на 1 атом) находятся в хорошем согласии.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, потенциал сильной связи, тернарные наночастицы Ti-Al-V, структурообразование, термостатирование, кристаллизация
- Ершов Павел Михайлович – 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»
- Мясниченко Владимир Сергеевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Зорин Данила Романович – магистр 2 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Белозерский Алексей Дмитриевич – аспирант 4 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Соколов Денис Николаевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Сдобняков Николай Юрьевич – д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка для цитирования:
Ершов, П.М. Влияние термостата Нозе-Гувера на структурные превращения в тернарных наночастицах Ti-Al-V / П.М. Ершов, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко, Д.Р. Зорин, А.Д. Белозерский, Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 399-410. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.399. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование структурных превращений в однокомпонентных и многокомпонентных металлических наносистемах: учебник / Н.Ю. Сдобняков. – Тверь: Тверской государственный университет, 2025. – 408 с. DOI:10.26456/sny.2025.408.
2. Behera, A. Ti-based nanoalloy in automobile industry / A. Behera, A. Behera // In: Micro and Nano Technologies, Nanotechnology in the Automotive Industry; ed. by H. Song et al. – Amsterdam: Elsevier, 2022. – Ch. 13. – P. 255-268. DOI: 10.1016/B978-0-323-90524-4.00013-X.
3. Ifijen, I.H. Titanium-based nanoparticles: innovations in energy applications, wastewater treatment, and tissue engineering for cardiac regeneration / I.H. Ifijen, U.U. Akobundu, J.U. Chukwu et al. // Discover Chemistry. – 2025. – V. 2. – I. 1. – Art. № 62. – 58 p. DOI: 10.1007/s44371-025-00142-x.
4. Haghighi, N.R. Size, morphology and optical properties of titanium-based colloidal nanoparticles prepared by dc electrical arc discharge in different liquids / N.R. Haghighi, R. Poursalehi // Procedia Materials Science. – 2015. – V. 11. – P. 661-665. DOI: 10.1016/j.mspro.2015.11.018.
5. Myasnichenko, V.S. Simulation of crystalline phase formation in titanium-based bimetallic clusters / V.S. Myasnichenko, N.Yu. Sdobnyakov, P.M. Ershov et al. // Journal of Nano Research. – 2020. – V. 61. – P. 32-41. DOI: 10.4028/www.scientific.net/JNanoR.61.32.
6. Мясниченко, В.С. Зависимость температуры стеклования биметаллических кластеров на основе титана от скорости охлаждения / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, Д.Н. Соколов и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2020. – T. 17. – № 3. – С. 355-362. DOI: DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2020.03.012.
7. Сдобняков, Н.Ю. О структурных превращениях в наночастицах титан–алюминий / Н.Ю. Сдобняков, В.С. Мясниченко, Е.М. Давыденкова и др. // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. – 2019. – Т. IX. – № 4. – С. 13-16.
8. 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.
9. 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.
10. Мясниченко, В.С. Размерный эффект и структурные превращения в тернарных наночастицах Tix-Al96-x-V4 / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, С.А. Вересов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 495-506. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.495.
11. Bağ, Ö. Influence of Al content on transformation temperature and activation energy of Ti–V–Al high temperature shape memory alloys / Ö. Bağ, S. Ergen, F. Yılmaz, U. Kölemen // Solid State Communications. – 2021. – V. 323. – Art. № 114104. – 5 p. DOI: 10.1016/j.ssc.2020.114104.
12. Ergen, S. Determination of phase transformation and activation energy in high temperature shape memory Ti-V-Al alloy / S. Ergen // Hittite Journal of Science and Engineering. – 2018. – V. 5. – I. 1. – P. 63-68. DOI: 10.17350/HJSE19030000066.
13. 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 и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 507-519. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.507.
14. Свидетельство № 2011615692 Российская Федерация. Молекулярнодинамическое моделирование и биоинспирированная оптимизация бинарных и тройных металлических наноструктур (КластерЭволюшн) / В.С. Мясниченко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – № 2011613732; заявл. 23.05.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 20.06.2011. – 1 с.
15. Andersen, H.C. Molecular dynamics at constant pressure and/or temperature / H.C. Andersen // The Journal of Chemical Physics. – 1980. – V. 72. – I. 4. – P. 2384-2393. DOI: 10.1063/1.439486.
16. Свидетельство № 2025683621 Российская Федерация. MDSym / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, К.Г. Савина; заявитель и правообладатель Сдобняков Н.Ю. – № 2025681911; заявл. 20.08.2025; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 5.09.2025. – 1 с.
17. Nosé, S. A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods / S. Nosé // The Journal of Chemical Physics. – 1984. – V. 81. – I. 1. – P. 511-519. DOI: 10.1063/1.447334.
18. Leimkuhler, B. A gentle stochastic thermostat for molecular dynamics / B. Leimkuhler, E. Noorizadeh, F. Theil // Journal of Statistical Physics. – 2009. – V. 135. – I. 2. – P. 261-277. DOI: 10.1007/s10955-009-9734-0.
19. Hoover, W.G. Kinetic moments method for the canonical ensemble distribution / W.G. Hoover, B.L. Holian // Physics Letters A. – 1996. – V. 211. – I. 5. – P. 253-257. DOI:10.1016/0375-9601(95)00973-6.
20. 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.
21. Karolewski, M.A. Tight-binding potentials for sputtering simulations with fcc and bcc metals / M.A. Karolewski // Radiation Effects and Defects in Solids. – 2001. – V. 153. – I. 3. – P. 239-255. DOI: 10.1080/10420150108211842.
22. 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.
23. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах. Монография / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, С.С. Богданов. – Тверь: Изд-во ТвГУUEерского государственного университета, 2021. – 168 с.
24. Larsen, P.M. Robust structural identification via polyhedral template matching modelling / 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.
25. 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.
26. Wu, Y.-C. mdapy: a flexible and efficient analysis software for molecular dynamics simulations / Y.-C. Wu, J.-L. Shao // Computer Physics Communications. – 2023. – V. 290. – Art. № 108764. DOI: 10.1016/j.cpc.2023.108764.
27. 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.
28. Massen, C. Geometries and segregation properties of platinum–palladium nanoalloy clusters / С. Massen, T.V. Mortimer-Jones, R.L. Johnston // Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions. – 2002. – I. 23. – P. 4375-4388. DOI: 10.1039/B207847C.
29. Ji, M. Ab initio molecular dynamics simulation on nano-system under external pressure / M. Ji, D.Y. Sun, X-G. Gong // Science in China. Series A Mathematics. – 2004. – V. 47. – I. 7. – P. 92-100. DOI: 10.1360/04za0008.
30. Garip, A.K. The local atomic pressures in 79 atom Pd-Ag-Pt truncated octahedron structure / A.K. Garip, T. Göcen // European Physical Journal Applied Physics. – 2022. – V. 97. – Art. no. 30. – 7 p. DOI: 10.1051/epjap/2022220030.