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

Исследование закономерностей структурообразования в пятикомпонентных наносистемах Ni-Cu-Fe-Co-Cr: атомистическое моделирование и эксперимент

А.Ю. Колосов1, А.В. Первиков2, Н.Ю. Сдобняков1, К.Г. Савина1, Д.Н. Соколов1, Е.С. Митинев1, Н.И. Непша1

1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
2 ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН»

DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.658

Оригинальная статья

Аннотация: В данной работе исследованы структурные и термодинамические характеристики пятикомпонентных наночастиц эквиатомного и стехиометрического составов с различным распределением компонентов и исходными размерами 5,8 нм, 7,4 нм и 8,5 нм. Моделирование осуществлялось методом молекулярной динамики с использованием программ LAMMPS и MDSym. Получены зависимости температуры плавления и кристаллизации от размера наночастиц, выявлен выраженный размерный эффект. Показано, что для эквиатомных наночастиц характерна сегрегация меди на поверхности (до 65%), а для стехиометрических – до 75%. Получены данные о специфике фазового состава: для эквиатомных наночастиц преобладает локальная ГЦК-структура с дефектами ГПУ-типа, для стехиометрических – формирование пятизеренных дефектных структур. Результаты моделирования (радиальные распределения плотностей) сопоставлены с экспериментальными данными по наночастицам, полученным методом электровзрыва проволок, что подтвердило отдельные результаты в распределении компонентов по объему наночастицы и закономерностей поверхностной сегрегации.

Ключевые слова: метод молекулярной динамики, LAMMPS, MDSym, потенциал сильной связи, пятикомпонентные наночастицы, никель, медь, железо, хром, кобальт, сегрегация, локальные плотности, высокоэнтропийный сплав, метод электровзрыва проволок, энергодисперсионный анализ

  • Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Первиков Александр Васильевич – к.т.н., научный сотрудник лаборатории физикохимии высокодисперсных материалов, ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН»
  • Сдобняков Николай Юрьевич – д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Савина Ксения Геннадьевна – аспирант 3 года обучения 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»
  • Митинев Егор Сергеевич – 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»

Ссылка для цитирования:

Колосов, А.Ю. Исследование закономерностей структурообразования в пятикомпонентных наносистемах Ni-Cu-Fe-Co-Cr: атомистическое моделирование и эксперимент / А.Ю. Колосов, А.В. Первиков, Н.Ю. Сдобняков, К.Г. Савина, Д.Н. Соколов, Е.С. Митинев, Н.И. Непша // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 658-673. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.658. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Yeh, J.-W. Nanostructured high-entropy alloys / J.-W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin et al. // AdvancedEngineering Materials. –
2004. – V. 6. – I. 5. – P. 299-303. DOI: 10.1002/adem.200300567.
2. Zhang, Y. Microstructures and properties of high-entropy alloys / Y. Zhang, T. T. Zuo, Z. Tang et al. // Progress in Materials Science. – 2014. – V. 61. – P. 1-93. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.10.001.
3. Ferrari, A. Surface segregation in Cr–Mn–Fe–Co–Ni high entropy alloys / A. Ferrari, F. Körmann // Applied Surface Science. – 2020. – V. 533. – P. 147471. – 7 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147471.
4. Batchelor, T.A.A. High-entropy alloys as a discovery platform for electrocatalysis / T.A.A. Batchelor, J.K. Pedersen, S.H. Winther et al. // Joule. – 2019. – V. 3. – I. 3. – P. 834-845. DOI: 10.1016/j.joule.2018.12.015.
5. Yao, Y. Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles / Y. Yao, Z. Huang, P. Xie et al. // Science. – 2018. – V. 359. – № 6383. – P. 1489-1494. DOI: 10.1126/science.aan5412.
6. Wang, B. Understanding the enhanced catalytic activity of high entropy alloys: from theory to experiment / B. Wang, Y. Yao, X. Yu et al. // Journal of Materials Chemistry A. – 2021. – V. 9. – I. 35. – P. 19410-19438. DOI: 10.1039/D1TA02718B.
7. Qiu, H. Corrosion resistance of high-entropy alloy coatings: a review / H. Qiu, T. Zhang, J. Liu // Surface and Coatings Technology. – 2020. – V. 381. – Art. № 125138. – 49 p. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.125138.
8. Wu, W. Advances in the corrosion behavior of high-entropy alloys in lead-bismuth eutectic system / W. Wu, X. Hu, X. Peng et al. // Advanced Engineering Materials. – 2025. – V. 27. – I. 9. – Art. № 2402774. – 26 p. DOI: 10.1002/adem.202402774.
9. Yokoyama, S. Magnetic properties of Fe–Cr–C and Fe–Cr–C–Ni alloys / S. Yokoyama, T. Inui // Tetsu-to-Hagane. – 2002. – V. 88. – I. 4. – P. 222-228. DOI: 10.2355/tetsutohagane1955.88.4_222.
10. Kumari, P. A comprehensive review: recent progress on magnetic high entropy alloys and oxides / P. Kumari, A.K. Gupta, R.K. Mishra, M.S. Ahmad, R.R. Shahi // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2022. – V. 554. – Art. № 169142. – 37 p. DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.169142.
11. Islam, M. A comprehensive DFT study on the physical properties of XCrAl (X = Fe, Co, Ni, Cu) half-Heusler alloys for applications in high-temperature technology / M. Islam, M. A. R. Sheikh // Physica B: Condensed Matter. – 2023. – V. 668. – Art. № 415244. – 14 p. DOI: 10.1016/j.physb.2023.415244.
12. Dias, M. Hybrid molecular dynamic Monte Carlo simulation and experimental production of a multi-component Cu–Fe–Ni–Mo–W alloy / M. Dias, P.A. Carvalho, A.P. Gonçalves et al. // Intermetallics. – 2023. – V. 161. – Art. № 107960. – 10 p. DOI: 10.1016/j.intermet.2023.107960.
13. Hao, S. Developing reliable machine learning interatomic potential for Fe–Cr–Ni austenitic alloys / S. Hao, P. Singh, A.V. Smirnov, D.D. Johnson et al. // Journal of Applied Physics. – 2025. – V. 138. – I. 8. – Art. № 085103. – 16 p. DOI: 10.1063/5.0280935.
14. 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.
15. Samsonov, V. Chemical and structural segregation in Pt-Pd-Ni ternary nanosystems: molecular dynamics simulation / V. Samsonov, N. Nepsha, N. Sdobnyakov et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2025. – V. 340. – Art. № 130827. – 11 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2025.130827.
16. Nepsha, N.I. Atomistic simulation of segregation in ternary Pt–Pd–Ni nanoalloy / N.I. Nepsha, N.Yu. Sdobnyakov, V.M. Samsonov et al. // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2024. – V. 18. – I. 6. – P. 1388-1394. DOI: 10.1134/S1027451024701295.
17. 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.
18. Сдобняков, Н.Ю. Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 589-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
19. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. – Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. – 02.09.2025.
20. 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.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. 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.
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. Талызин, И.В. Идентификация сложных наноструктур ядро-оболочка по радиальным распределениям локальной плотности компонентов / И.В. Талызин, С.С. Богданов, В.М. Самсонови др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 307-320. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.307.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒