О термической стабильности икосаэдрических металлических нанокластеров: молекулярно- динамическое моделирование
И.В. Каракеян, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.411
Оригинальная статья
Аннотация: С использованием молекулярно-динамического моделирования и метода погруженного атома исследовалась термическая стабильность икосаэдрических магических нанокластеров ГЦК металлов: Ag, Au, Cu, Ni, Pd и Pt, т.е. стабильность характерной для них оболочечной структуры и симметрии, связанной с наличием шести осей симметрии пятого порядка, в процессе нагревания от 10 К до температуры, превышающей их температуру плавления. Установлено, что вплоть до начала плавления икосаэдрические нанокластеры, с числом атомов 13, 55, 147, 309 и 561 сохраняют характерную для них симметрию, т.е. не переходят в изомеры других типов. Такое поведение в процессе нагревания существенно отличается от поведения кубооктаэдрических (с гранецентрированной кубической упаковкой) нанокластеров, плавлению которых предшествует их переход в икосаэдрические изомеры. Вместе с тем, поведение калорических кривых, т.е. температурных зависимостей потенциальной части удельной внутренней энергии (когезионной энергии) икосаэдрических нанокластеров различных металлов заметно отличается. В частности, плавление икосаэдрических нанокластеров Ag и Ni сопровождается выраженными скачками на указанной зависимости. Соответственно, данный переход можно интерпретировать, как фазовый переход первого рода, а отвечающую ему температуру как температуру плавления. Для икосаэдрических нанокластеров Cu и Pd соответствующие скачки являются менее выраженными, а плавление икосаэдрических нанокластеров Au и Pt не сопровождается скачками на калорической кривой.
Ключевые слова: металлические нанокластеры, изомеры, термическая стабильность, плавление, молекулярная динамика, метод погруженного атома
- Каракеян Игорь Владимирович – студент 1 курса магистратуры физико-технического факультета, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Пуйтов Владимир Владимирович – лаборант Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Талызин Игорь Владимирович – к.ф.-м.н., научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Васильев Сергей Александрович – к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, младший 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:
Каракеян, И.В. О термической стабильности икосаэдрических металлических нанокластеров: молекулярно- динамическое моделирование / И.В. Каракеян, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 411-418. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.411. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Петров, Ю.И. Физика малых частиц / Ю.И. Петров. – М.: Наука, 1982. – 359 с.
2. Каракеян, И.В. Икосаэдрические металлические нанокластеры: низкотемпературные структуры или структуры, предшествующие плавлению? / И.В. Каракеян, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 468-480. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.468.
3. Ino, S. Epitaxial growth of metals on rocksalt faces cleaved in vacuum. II. Orientation and structure of gold particles formed in ultrahigh vacuum / S. Ino // Journal of the Physical Society of Japan. – 1966. – V. 21. – I. 2. – P. 346-362. DOI: 10.1143/JPSJ.21.346.
4. Marks, L.D. Experimental studies of small particle structures / L.D. Marks // Reports on Progress in Physics. – 1994. – V. 57. – I. 6. – P. 603-649. DOI: 10.1088/0034-4885/57/6/002.
5. Myasnichenko, V.S. Molecular dynamic investigation of size-dependent surface energy of icosahedral copper nanoparticles at different temperature / V.S. Myasnichenko, M. Razavi, M. Outokesh, N.Yu. Sdobnyakov, M.D. Starostenkov // Letters on Materials. – 2016. – V. 6. – I. 4. – P. 266-270. DOI: 10.22226/2410-3535-2016-4-266-270.
6. 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.
7. Рыжкова, Д.А. Оценка влияния икосаэдрических «магических» чисел на термическую стабильность малых нанокластеров серебра / Д.А. Рыжкова, С.Л. Гафнер, Ю.Я. Гафнер // Физика твердого тела. – 2022. – Т. 64. – № 3. – С. 313-318. DOI: 10.21883/FTT.2022.03.52091.245.
8. Самсонов, В.М. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, К.К. Небывалова, В.В. Пуйтов // Журнал физической химии. – 2023. – Т. 97. – № 8. С. 1167-1177. DOI: 10.31857/S004445372308023X.
9. Canestrari, N. General theory for packing icosahedral shells into multi-component aggregates / N. Canestrari, D. Nelli, R. Ferrando // Nature Communications. – 2025. – V. 16. – Art. № 1655. – 6. p. DOI: 10.1038/s41467-018-03794-9.
10. Samsonov, V.M. The Gibbs method extended to nanothermodynamics and exemplified by evaluations of the surface, line, and point excess energies for icosahedral metal nanoclusters / V.M. Samsonov, S.A. Vasilyev, I.V. Talyzin, K.K. Nebyvalova, V.V. Puytov, I.V. Karakeyan // The Journal of Chemical Physics. – 2025. – V. 162. – I. 7. – Art. № 074304. – 13 p. DOI: 10.1063/5.0250339.
11. Balleto, F. Reentrant morphology transition in the growth of free silver nanoclusters / F. Baletto, C. Mottet, R. Ferrando // Physical Review Letters. – 2000. – V. 84. – I. 24. – P. 5544-5547. DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.5544.
12. Foster, D.M. Experimental determination of the energy difference between competing isomers of deposited, size-selected gold nanoclusters / D.M. Foster, R. Ferrando, R.E. Palmer // Nature Communications. – 2018. – V. 9. – Art. № 1323. – 6. p. DOI: 10.1038/s41467-018-03794-9.
13. Кузьмин, В.И. Строение кластеров серебра с магическими числами атомов по данным молекулярной динамики / В.И. Кузьмин, Д.Л. Тытик, Д.К. Белашенко, А.Н. Сиренко // Коллоидный журнал. – 2008. – Т. 70. – № 3. – С. 316-329. DOI: 10.1134/S1061933X08030058.
14. Кузьмин, В.И. Методы разделения быстрых и медленных движений атомов как основа анализа динамической структуры наночастиц / В.И. Кузьмин, А.Ф. Гадзаов, Д.Л. Тытик, Д.К. Белащенко, А.Н. Сиренко // Российские нанотехнологии. – 2010. – Т. 5. № 11-12. – С. 92-97. DOI: 10.1134/S199507801011008X.
15. Thompson, A.P. LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales / A.P. Thompson, H.M. Aktulga, R. Berger et al. // Computer Physics Communications. – 2022. – V. 271. – Art. № 108171. – 34 p. DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
16. Adams, J.B. Self-diffusion and impurity diffusion of fcc metals using the five-frequency model and the embedded atom method / J.B. Adams, S.M. Foiles, W.G. Wolfer // Journal of Materials Research. – 1989. – V. 4. – I. 1. – P. 102-112. DOI: 10.1557/JMR.1989.0102.
17. Пуйтов, В.В. Разработка и апробирование алгоритмов генерации начальных конфигураций изомеров металлических нанокластеров / В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 474-485. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.474.