Оценка удельной поверхностной энергии наночастиц Ag по результатам их молекулярно- динамического моделирования
К.К. Небывалова, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.455
Оригинальная статья
Аннотация: После анализа проблемы распространения метода поверхностных избытков Гиббса на наноразмерные объекты, рассмотрен подход к применению метода Гиббса к нахождению удельной поверхностной энергии металлических наночастиц. Предложенный подход, реализованный нами на примере сферических наночастиц и нанокапель Ag, основывается на использовании молекулярно-динамических результатов для температурной и размерной зависимостей потенциальной части удельной (в расчете на атом) внутренней энергии. Расчеты проводились для эквимолекулярной разделяющей поверхности. При этом избыточная поверхностная энергия находилась по отношению к объемной материнской фазе (фазе сравнения), в качестве которой была выбрана твердая ГЦК фаза того же металла при той же температуре, что и рассматриваемый малый объект. Найденные значения удельной поверхностной энергии зависят от температуры и согласуются с экспериментальными значениями для соответствующих объемных фаз сравнения. Вместе с тем заметное изменение (уменьшение) удельной поверхностной энергии имело место только при переходе твердых наночастиц Ag в жидкое состояние, т.е. при их плавлении.
Ключевые слова: металлические нанокластеры, метод избытков Гиббса, молекулярная динамика, поверхностная энергия
- Небывалова Кристина Константиновна – аспирант 3 года физико-технического факультета, 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 , ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Самсонов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка для цитирования:
Небывалова, К.К. Оценка удельной поверхностной энергии наночастиц Ag по результатам их молекулярно- динамического моделирования / К.К. Небывалова, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 455-465. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.455. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Гиббс, Дж.В. Термодинамика и статистическая механика / Дж.В. Гиббс. – М.: Наука, 1982. – 584 с.
2. Tolman, R.C. The effect of droplet size on surface tension / R.C. Tolman // Journal of Chemical Physics. – 1949. – V. 17. – I. 3. – P. 333-337. DOI: 10.1063/1.1747247.
3. 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.
4. 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 et al. // Journal of Chemical Physics. – 2025. – V. 162. – I. 7. – Art. № 135. – 13 p. DOI: 10.1063/5.0250339.
5. Русанов, А.И. Термодинамика поверхностных явлений / А.И. Русанов. – Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1960. – 180 с.
6. Витоль, Э.Н. Определение зависимости поверхностного натяжения металлов от кривизны поверхности раздела фаз / Э.Н. Витоль // Коллоидный журнал. – 1992. – Т. 54. – № 3. – С. 21-22.
7. Сдобняков, Н.Ю. Оценка коэффициента пропорциональности в формуле Русанова для поверхностного натяжения по кинетике испарения наночастиц и усадки вакансионных пор / Н.Ю. Сдобняков, В.М. Самсонов, А.Н. Базулев, Д.А. Новожилова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2016. – Вып. 8. – С. 337-344. DOI: 10.26456/pcascnn/2016.8.337.
8. 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.
9. Шебзухов, З.А. Межфазное натяжение и параметр Русанова на сильно искривленных поверхностях с различным характером кривизны / З.А. Шебзухов, М.А. Шебзухова, А.А. Шебзухов // Известия РАН. Серия физическая. – 2009. – Т. 73. – № 7. – С. 983-986.
10. Samsonov, V.M. On applicability of Gibbs thermodynamics to nanoparticles / V.M. Samsonov, A.N. Bazulev, N.Yu. Sdobnyakov // Central European Journal of Physics. – 2003. . – V. 1. – I. 3. – P. 474-484. DOI: 10.2478/BF02475858.
11. Ono, S. Molecular theory of surface tension in liquids / S. Ono, S. Kondo // In: Structure of Liquids / Struktur der Flüssigkeiten. Encyclopedia of Physics / Handbuch der Physik. – Berlin, Heidelberg: Springer, 1960. – V. 3/10. – P. 134-280. DOI: 10.1007/978-3-642-45947-4_2.
12. Шебзухов, З.А. Поверхностное натяжение и поверхностная энергия металлических наночастиц / З.А. Шебзухов, М.А. Шебзухова, А.А. Шебзухов // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. – 2010. – № 1. – С. 17-58.
13. Русанов, А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления / А.И. Русанов. – Л.: Химия, 1967. – 388 c.
14. Shcherbakov, L.M. Evaluation of the excess free energy of small objects / L.M. Shcherbakov // In: Research in Surface Forces; ed. by B.V. Deryagin. – New York: Consultants Bureau, 1966. – V. 2: Three-dimensional aspects of surface forces. – P. 26-32.
15. Самсонов, В.М. Условия применимости термодинамического описания высокодисперсных и микрогетерогенных систем / В.М. Самсонов // Журнал физической химии. – 2002. – Т. 76. – № 11. – С. 2047-2051.
16. Samsonov, V.M. When mechanisms of coalescence and sintering at the nanoscale fundamentally differ: Molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, V.V. Puytov et al. // Journal of Chemical Physics. 2022. – V. 156. – I. 21. – Art. № 214302. – 15 p. DOI: 10.1063/5.0075748.
17. Ali, S. Size-dependent strain and surface energies of gold nanoclusters / S. Ali, V.S. Myasnichenko, E.C. Neyts // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2016. – V. 18. – I. 2. – P. 792-800. DOI: 10.1039/c5cp06153a.
18. Holec, D. Surface energy of Au nanoparticles depending on their size and shape / D. Holec, P. Dumitraschkewitz, D. Vollath, F.D. Fischer // Nanomaterials. – 2020. – V. 10. – I. 3. – Art. № 484. – 15 p. DOI: 10.3390/nano10030484.
19. Allen, M.P. Computer simulation of liquids / M.P. Allen, D.J. Tildesley. – Oxford: Clarendon Press, 2017. – 626 p. DOI: 10.1093/oso/9780198803195.001.0001.
20. 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.
21. Verlet, L. Computer «Experiments» on сlassical 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.
22. 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.
23. 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.
24. Samsonov, V.M. Embedding functions for Pt and Pd: recalculation and verification on properties of bulk phases, Pt, Pd, and Pt–Pd nanoparticles / V.M. Samsonov, A.A. Romanov, A.Yu. Kartoshkin et al. // Applied Physics A. – 2022. – V. 128. – I. 9. – Art. № 826. – 14 p. DOI: 10.1007/s00339-022-05922-1.
25. Хоконов, Х.Б. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение металлов и бинарных сплавов в твердом состоянии / Хоконов Х.Б., Таова Т.М., Алчагиров Б.Б. // Известия Кабардино-Балкарского университета. – 2019. – Т. 9. – № 2. – С. 5-19.
26. Roduner, E. Nanoscopic materials: size-dependent phenomena and growth principles / E. Roduner. – Cambridge: RSC Publishing, 2014. – 439 p. DOI: 10.1039/9781839168970.
27. Fenelonov, V.B. On the dependence of surface tension of liquids on the liquid vapor interface. / V.B. Fenelonov, G.G. Kodenyov, V.G. Kostrovsky // Journal of Physical Chemistry B. – 2001. – V. 105. – I. 5. – P. 1050-1055. DOI: 10.1021/jp9929972.