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

Структурные превращения в четырехкомпонентных наносплавах Cu-Au-Pt-Pd различной морфологии при последовательных термоиндуцированных циклах

С.В. Серов, Н.И. Непша, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, К.Г. Савина, С.Ю. Вересов, Н.Ю. Сдобняков

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.466

Оригинальная статья

Аннотация: Проведено молекулярно-динамическое исследование процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах Cu-Au-Pt-Pd (с общим количеством атомов 4000) в процессе двух последовательных циклов термоиндуцированного воздействия. Предложено два сценария: первый сценарий оба цикла с одинаковой скоростью 0,25 К/пс; второй сценарий первый цикл со скоростью 1 К/пс, второй – 0,25 К/пс. Рассмотрено шесть типов начальных конфигураций наносистемы Cu-Au-Pt-Pd: равномерное распределение атомов (Pd2400-Pt800-Au600-Cu200), конфигурации типа ядро-оболочка, в которой атомы палладия выступают в качестве оболочки, в то время как остальные элементы равномерно распределены в ядре ((Cu200-Au600-Pt800)@Pd2400) или представляют собой луковичную структуру (Cu200@Au600@Pt800@Pd2400), а также Янус-структуры трех конфигураций: Cu200/Au600/Pt800/Pd2400, Cu100/Au300/Pt400/Pd2400/Pt400/Au300/Cu100, Pd1200/Pt400/Au300/Cu200/Au300/Pt400/Pd1200. Для каждой из представленных систем получены калорические зависимости потенциальной части удельной внутренней энергии, отвечающие процессам нагревания и охлаждения (для двух циклов), определены параметры гистерезиса температур плавления и кристаллизации, описаны закономерности химической и структурой сегрегации для конфигураций, отвечающих окончанию охлаждения. Для компонентов Au и Pd построены и проанализированы их распределения в рассматриваемых наночастицах Cu-Au-Pt-Pd. Также проведена оценка удельной поверхностной энергии, величина которой определяет механическую стабильность. Полученные результаты для удельной поверхностной энергии сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными с учетом размерного эффекта.

Ключевые слова: циклы термоиндуцированного воздействия, четырехкомпонентные наночастицы Cu-Au-Pt-Pd, метод молекулярной динамики, потенциал сильной связи, структурообразование, фазовый переход плавление-кристаллизация

  • Серов Сергей Викторович – аспирант 1 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Непша Никита Игоревич – 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»
  • Соколов Денис Николаевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Савина Ксения Геннадьевна – аспирант 3 года обучения кафедры общей физики , ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Вересов Сергей Юрьевич – аспирант 4 года обучения 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:

Серов, С.В. Структурные превращения в четырехкомпонентных наносплавах Cu-Au-Pt-Pd различной морфологии при последовательных термоиндуцированных циклах / С.В. Серов, Н.И. Непша, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, К.Г. Савина, С.Ю. Вересов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 466-484. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.466. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. 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.
2. Eom, N. General trends in core–shell preferences for bimetallic nanoparticles / N. Eom, M.E. Messing, J. Johansson et al. // ACS Nano. – 2021. – V. 15. – I. 5. – P. 8883-8895. DOI: 10.1021/acsnano.1c01500.
3. Dahale, C. Surface segregation in AgAuCuPdPt high entropy alloy: insights from molecular simulations / C. Dahale, S. Srinivasan, S. Mishra et al. // Molecular Systems Design & Engineering. – 2022. – V. 7. – I. 8. – P. 878-888. DOI: 10.1039/D2ME00045H.
4. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А. И. Гусев. – М.: Физматлит, 2005. – 416 с.
5. Савина, К.Г. Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti–V: размерный эффект и эффект изменения состава / К.Г. Савина, А.Д. Веселов, Р.Е. Григорьев и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 532-542. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.532.
6. Романовский, В.И. Особенности синтеза наночастиц Cu–Ni: эксперимент и компьютерное моделирование / В.И. Романовский, А.Ю. Колосов, А.А. Хорт и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 293-309. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.293.
7. Romanovski, V. Structure patterns of one-step synthesis of CuNi nanopowders in air environment: experiment and atomistic simulations / V. Romanovski, N. Sdobnyakov, A. Kolosov et al. // Nano-Structures & Nano-Objects. – 2024. – V. 40. – Art. no. 101377. – 10 p. DOI: 10.1016/j.nanoso.2024.101377.
8. Sdobnyakov, N. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles / N. Sdobnyakov, A. Khort, V. Myasnichenko et al. // Computational Materials Science. – 2020. – V. 184. – Art. № 109936. – 12 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.109936.
9. Samsonov, V.M. Surface segregation in binary Cu–Ni and Au–Co nanoalloys and the core–shell structure stability/instability: thermodynamic and atomistic simulations / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, A.Yu. Kartoshkin et al. // Applied Nanoscience. – 2019. – V. 9. – I. 1. – P. 119-133. DOI: 10.1007/s13204-018-0895-5.
10. Bogdanov, S. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core-shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching / S. Bogdanov, V. Samsonov, N. Sdobnyakov et al. // Journal of Materials Science. – 2022. – V. 57. – I. 28. – P. 13467-13480. DOI: 10.1007/s10853-022-07476-2.
11. Самсонов, В.М. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин и др. // Журнал физической химии. – 2023. – Т. 97. – № 8. – С. 1167-1177. DOI: 10.31857/S004445372308023X.
12. Guisbiers, G. Cu–Ni nano-alloy: mixed, core–shell or Janus nano-particle? / G. Guisbiers, S. Khanal, F. Ruiz-Zepeda et al. // Nanoscale. – 2014. – V. 6. – I. 24. – P. 14630-14635. DOI: 10.1039/C4NR05739B.
13. Yin, H.-J. Shaping well-defined noble-metal-based nanostructures for fabricating high-performance electrocatalysts: advances and perspectives / H.-J. Yin, J.-H. Zhou, Y.-W. Zhang // Inorganic Chemistry Frontiers. – 2019. – V. 6. – I. 10. – P. 2582-2618. DOI: 10.1039/C9QI00689C.
14. Lu, X.-Z. Structural optimization and segregation behavior of quaternary alloy nanoparticles based on simulated annealing algorithm / X.-Z. Lu, G.-F. Shao, L.-Y. Xu et al. // Chinese Physics B. – 2016. – V. 25. – № 5. – P. 053601-1 053601-8. DOI: 10.1088/1674-1056/25/5/053601.
15. Tang, Z. Facile aqueous-phase synthesis of Ag–Cu–Pt–Pd quadrometallic nanoparticles / Z. Tang, B.C. Yeo, S.S. Han, et al. // Nano Convergence. – 2019. – V. 6. – Art. № 38. – 7 p. DOI: 10.1186/s40580-019-0208-z.
16. 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.
17. Колосов, А.Ю. Сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах: атомистическое моделирование / А.Ю. Колосов, К.Г. Савина, С.А. Вересов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 432-443. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.432.
18. Колосов, А.Ю. Размерный эффект в четырехкомпонентных наночастицах Au–Cu–Pd–Pt и их стабильность / А.Ю. Колосов, С.А. Вересов, С.В. Серов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 361-372. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.361.
19. 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.Y. Kartoshkin et al. // Computational Materials Science. – 2021. – V. 199. – Art. № 110710. – 11 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110710.
20. Bochicchio, D. Morphological instability of core-shell metallic nanoparticles / D. Bochicchio, R. Ferrando // Physical Review B. – 2013. – V. 87. – I. 16. – P. 165435-1–165435-13. DOI: 10.1103/PhysRevB.87.165435.
21. Самсонов, В.М. О факторах стабильности/нестабильности биметаллических наноструктур ядро–оболочка / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, и др. // Известия РАН. Серия физическая. – 2021. – Т. 85. – № 9. – С. 1239–1244. DOI: 10.31857/S0367676521090246.
22. Sato, K. Surface-segregation-induced phase separation in epitaxial Au/Co nanoparticles: formation and stability of core–shell structures / K. Sato, Y. Matsushima, T.J. Konno // AIP Advances. – 2017. – V. 7. – I. 6. – P. 065309-1-065309-6. DOI: 10.1063/1.4986905.
23. Сдобняков, Н.Ю. К проблеме стабильности/нестабильности биметаллических структур Co (ядро)/Au (оболочка) и Au (ядро)/Co (оболочка): атомистическое моделирование / Н.Ю. Сдобняков, В.М. Самсонов, А.Ю. Колосов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 520-534. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.520.
24. Самсонов, В.М. К проблеме стабильности малых объектов на примере молекулярно-динамических моделей металлических наночастиц и наносистем / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов и др. // Коллоидный журнал. – 2024. – Т. 86. – № 1. – С. 118-129. DOI: 10.31857/S0023291224010114.
25. 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.
26. 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.
27. 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.
28. 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.
29. Ackland, G.J. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation / G.J. Ackland, A.P. Jones // Physical Review B. – 2006. – V. 73. – I. 5. – P. 054101-1-054104-7. DOI: doi.org/10.1103/PhysRevB.73.054104
30. Polak, W.Z. Efficiency in identification of internal structure in simulated monoatomic clusters: comparison between common neighbor analysis and coordination polyhedron method / W.Z. Polak // Computational Materials Science. – 2022. – V. 201. – Art. № 110882. – 8 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110882.
31. 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.
32. 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.
33. Perevezentsev, V.N. The theory of evolution of the microstructure of superplastic alloys and ceramics / V.N. Perevezentsev // In: Superplasticity. 60 years after Pearson: proceedings of the conference organized on behalf of the Superplastic Forming Committee of the Manufacturing Division of the Institute of Materials and Held at the University of Manchester Institute of Science and Technology, 7-8 December 1994; ed. by N. Ridley. – London: CRC Press, 1995. – P. 51-59.
34. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. – Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2018. – 176 с.
35. Талызин, И.В. Идентификация сложных наноструктур ядро-оболочка по радиальным распределениям локальной плотности компонентов / И.В. Талызин, В.М. Самсонов, С.С. Богданов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 307-320. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.307.
36. Edelsbrunner, H. Three-dimensional alpha shapes / H. Edelsbrunner, E.P. Mücke // ACM Transactions on Graphics. – 1994. – V. 13. – I. 1. – P. 43-72. Doi: 10.1145/147130.147153.
37. Alchagirov, A.B. Surfaсе energy and surface tension of solid and liquid metals. Recommended values / A.B. Alchagirov, B.B. Alchagirov, T.M. Taova, Kh.B. Khokonov // Transitions JWRI. – 2001. – V. 30. – P. 287-291.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒