Везде

RAS Chemistry & Material ScienceКоллоидный журнал Colloid Journal

  • ISSN (Print) 0023-2912
  • ISSN (Online) 3034-543X

ATOMISTIC SIMULATION OF THERMALLY INDUCED STRUCTURAL TRANSFORMATIONS IN QUATERNARY Cu–Au–Pt–Pd NANOALLOYS WITH DIFFERENT MORPHOLOGIES

You can
PII
S3034543X25040124-1
DOI
10.7868/S3034543X25040124
Publication type
Article
Status
Published
Authors
N.Yu. Sdobnyakov
  • Affiliation:
V.M. Samsonov
  • Affiliation:
S.V. Serov
  • Affiliation:
N.I. Nepsha
  • Affiliation:
D.N. Sokolov
  • Affiliation:
K.G. Savina
  • Affiliation:
S.A. Veresov
  • Affiliation:
A.Yu. Kolosov
  • Affiliation:
Volume/ Edition
Volume 87 / Issue number 4
Pages
414-427
Abstract
The results of molecular dynamics simulation of thermally induced structural transformations in four-component Cu–Au–Pt–Pd nanoalloys using the tight-binding potential are presented. The following initial configurations were chosen: a core–shell system in which the core corresponds to a multicomponent alloy with a uniform distribution of components (Cu–Au–Pt)@Pd, an onion structure Cu@Au@Pt@Pd, an alloy with a uniform distribution of components Cu–Au–Pt–Pd, Janus structures with asymmetric Cu/Au/Pt/Pd and symmetric distributions of components (Cu/Au/Pt/Pd/Pt/Au/Cu and Pd/Pt/Au/Cu/Au/Pt/Pd). Based on the analysis of temperature dependences of the potential part of the internal energy, the temperatures corresponding to the onset of the melting-crystallization phase transition were found, and the value of temperature hysteresis was estimated. Regularities in the change of these quantities depending on the rate of thermal action were established. Regularities of structure formation were analyzed, the dominant role of the fcc local environment was established, cases of occurrence of other crystalline structures (hcp and bcc) were revealed. Regularities of chemical segregation are described, confirming the possibility of existence of various scenarios of segregation behavior of components. Based on the original technique, estimates of the specific surface energy for multicomponent metallic nanoparticles (final configurations after a cycle of thermal action, including the melting-crystallization phase transition) were carried out. The value of the specific surface energy correlates with the stability of the final configurations corresponding to different initial configurations.
Keywords
четырехкомпонентные наносплавы Cu–Au–Pt–Pd классическая молекулярная динамика потенциал сильной связи плавление кристаллизация удельная поверхностная энергия
Date of publication
14.04.2025
Year of publication
2025
Number of purchasers
0
Views
36

References

  1. 1. Ferrando R., Jellinek J., Johnston R.L. Nanoalloys: from theory to applications of alloy clusters and nanoparticles // Chem. Rev. 2008. V. 108. № 3. P. 845–910. https://doi.org/10.1021/cr040090g
  2. 2. Eom N., Messing M.E., Johansson J., Deppert K. General trends in core–shell preferences for bimetallic nanoparticles // ACS Nano. 2021. V. 15. № 5. P. 8883–8895. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01500
  3. 3. Dahale C., Srinivasan S., Mishra S., Maitia S., Rai B. Surface segregation in AgAuCuPdPt high entropy alloy: insights from molecular simulations // Mol. Syst. Des. Eng. 2022. V. 7. № 8. P. 878–888. https://doi.org/10.1039/D2ME00045H
  4. 4. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005.
  5. 5. Савина К.Г., Веселов А.Д., Григорьев Р.Е., Вересов С.А., Ершов П.М., Зорин Д.Р., Сдобняков Н.Ю. Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti-V: размерный эффект и эффект изменения состава // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 532–542. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.532
  6. 6. Романовский В.И., Колосов А.Ю., Хорт А.А., Мясниченко В.С., Подболотов К.Б., Савина К.Г., Соколов Д.Н., Романовская Е.В., Сдобняков Н.Ю. Особенности синтеза наночастиц Cu–Ni: эксперимент и компьютерное моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2020. Вып. 12. С. 293–309. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2020.12.293
  7. 7. Romanovski V., Sdobnyakov N., Kolosov A., Savina K., Nepsha N., Moskovskikh D., Dobryden I., Zhang Z., Beletskii E., Romanovskaia E. Structure patterns of one-step synthesis of CuNi nanopowders in air environment: experiment and atomistic simulations // Nano-Struct. Nano-Objects. 2024. V. 40. P. 101377. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101377
  8. 8. Sdobnyakov N., Khort A., Myasnichenko V., Podholotov K., Romanovskaia E., Kolosov A., Sokolov D., Romanovski V. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles // Comput. Mater. Sci. 2020. V. 184. P. 109936. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109936
  9. 9. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., Vasilyev S.A. Surface segregation in binary Cu–Ni and Au–Co nanoalloys and the core–shell structure stability/instability: thermodynamic and atomistic simulations // Applied Nanoscience. 2019. V. 9. № 1. P. 119–133. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0895-5
  10. 10. Bogdanov S., Samsonov V., Sdobnyakov N., Myasnichenko V., Talyzin I., Savina K., Romanovski V., Kolosov A. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core–shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching // J. Mater. Sci. 2022. V. 57. № 28. P. 13467–13480. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07476-2
  11. 11. Самсонов В.М., Васильев С.А., Тальянин И.В., Небывалова К.К., Пуйнов В.В. Наноструктурная система на примере металлических наночастиц // Журнал физической химии. 2023. Т. 97. № 8. С. 1167–1177. https://doi.org/10.31857/S004445372308023X
  12. 12. Guisbiers G., Khanal S., Ruiz-Zepeda F., de la Puente J., José-Yacaman M. Cu–Ni nano-alloy: mixed, core–shell or Janus nano-particle? // Nanoscale. 2014. V. 6. № 24. P. 14630–14635. https://doi.org/10.1039/C4NR05739B
  13. 13. Yin H.-J., Zhou J.-H., Zhang Y.-W. Shaping well-defined noble-metal-based nanostructures for fabricating high-performance electrocatalysts: advances and perspectives // Inorg. Chem. Front. 2019. V. 6. № 10. P. 2582–2618. https://doi.org/10.1039/C9QI00689C
  14. 14. Lu X.-Z., Shao G.-F., Xu L.-Y., Liu T.-D., Wen Y.-H. Structural optimization and segregation behavior of quaternary alloy nanoparticles based on simulated annealing algorithm // Chinese Phys. B. 2016. V. 25. № 5. P. 053601. https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/5/053601
  15. 15. Tang Z., Yeo B.C., Han S.S., Lee T.-J., Bhang S.H., Kim W.-S., Yu T. Facile aqueous-phase synthesis of Ag–Cu–Pt–Pd quadrometallic nanoparticles // Nano Converg. 2019. V. 6. P. 38. https://doi.org/10.1186/s40580-019-0208-z
  16. 16. Вересов С.А., Савина К.Г., Веселов А.Д., Серов С.В., Колосов А.Ю., Мясниченко В.С., Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2022. Вып. 14. С. 371–382. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2022.14.371
  17. 17. Колосов А.Ю., Савина К.Г., Вересов С.А., Серов С.В., Соколов Д.Н., Сдобняков Н.Ю. Сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах: атомистическое моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. С. 432–443. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.432
  18. 18. Колосов А.Ю., Вересов С.А., Серов С.В., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Григорьев Р.Е., Сдобняков Н.Ю. Размерный эффект в четырехкомпонентных наночастицах Au–Cu–Pd–Pt и их стабильность // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 361–372. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.361
  19. 19. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Y., Vasiliev S.A., Alymov M.I. On the problem of stability/instability of bimetallic core–shell nanostructures: molecular dynamics and thermodynamic simulations // Comput. Mater. Sci. 2021. V. 199. P. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
  20. 20. Bochicchio D., Ferrando R. Morphological instability of core–shell metallic nanoparticles // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 16. Р. 165435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165435
  21. 21. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Тальянин И.В., Картошкин А.Ю., Васильев С.А., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Веселов А.Д., Богданов С.С. О факторах стабильности/нестабильности биметаллических наноструктур ядро–оболочка // Известия РАН. Серия физическая. 2021. Т. 85. № 9. С. 1239–1244. https://doi.org/10.31857/S0367676521090246
  22. 22. Sato K., Matsushima Y., Konno T.J. Surface-segregation-induced phase separation in epitaxial Au/Co nanoparticles: formation and stability of core–shell structures // AIP Advances. 2017. V. 7. № 6. Р. 065309. https://doi.org/10.1063/1.4986905
  23. 23. Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Колосов А.Ю., Васильев С.А., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Веселов А.Д. К проблеме стабильности/нестабильности биметаллических структур Co (ядро)/Au (оболочка) и Au (ядро)/Co (оболочка): атомистическое моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 520–534. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.520
  24. 24. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Богданов С.С., Тальянин И.В., Васильев С.А., Савина К.Г., Пуйнов В.В., Базуев А.Н. К проблеме стабильности малых объектов на примере молекулярно-динамических моделей металлических наночастиц и наносистем // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. № 1. С. 118–129. https://doi.org/10.31857/S002329122401014
  25. 25. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Столяр И.А. Нанорельеф поверхности тонких пленок сплавов Al–Mn и Al–Ni при ионно-ассистированном осаждении на стекло // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 3. С. 23–39. https://doi.org/10.31857/S1028096023030172
  26. 26. Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. № 1. Р. 22–33. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.22
  27. 27. Paz Borbon L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys. Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18012-5
  28. 28. Leimkuhler B., Noorizadeh E., Theil F. A gentle stochastic thermostat for molecular dynamics // J. Stat. Phys. 2009. V. 135. № 2. Р. 261–277. https://doi.org/10.1007/s10955-009-9734-0
  29. 29. Ackland G.J., Jones A.P. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. № 5. Р. 054104. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.054104
  30. 30. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2010. V. 18. № 1. Р. 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012
  31. 31. Correia J.B., de Sd A.I. Simulation of surface segregation in nanoparticles of Pt-Pd alloys // Crystals 2025. V. 15. № 1. Р. 53. https://doi.org/10.3390/cryst15010053
  32. 32. Chmielewski A., Nelayah J., Amara H., Creuze J., Alloyeau D., Wang G., Ricolleau C. Direct measurement of the surface energy of bimetallic nanoparticles: evidence of Vegard’s rule-like dependence // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. № 2. Р. 025901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.025901
  33. 33. Edelsbrunner H., Mücke E.P. Three-dimensional alpha shapes // ACM Trans. Graph. 1994. V. 13. № 1. Р. 43–72. https://doi.org/10.1145/174462.156635
  34. 34. Taubin G. A signal processing approach to fair surface design // SIGGRAPH ‘95: Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques. 1995. Р. 351–358. https://doi.org/10.1145/218380.218473
  35. 35. Ali S., Myasnichenko V.S., Neyts E.C. Size-dependent strain and surface energies of gold nanoclusters // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. № 2. Р. 792–800. https://doi.org/10.1039/C5CP06153A
  36. 36. Andrievski R.A. Review of thermal stability of nanomaterials // J. Mater. Sci. 2014. V. 49. № 4. Р. 1449–1460. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7836-1
  37. 37. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. Р. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028 (03)00090-6
  38. 38. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu. A Thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Central European Journal of Physics. 2003. V. 1. № 2. Р. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  39. 39. Sdobnyakov N.Yu., Myasnichenko V.S., Cheng-Hung San, Yu-Tsung Chiu, Ershov P.M., Ivanov V.A., Komarov P.V. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates // Mater. Chem. Phys. 2019. V. 238. Р. 121895. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121895
  40. 40. Tiwari K., Devi M.M., Biswas K., Chattopadhyay K. Phase transformation behavior in nanoalloys // Prog. Mater. Sci. 2021. V. 121. Р. 100794. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100794
  41. 41. Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография. Тверь: Тверской государственный университет. 2018.
  42. 42. Smirnov I., Kaszkur Z., Ferrando R. How to manipulate nanoparticle morphology with vacancies // Condensed Matter. Materials Science. arXiv:2409.01254. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.01254
  43. 43. Alchagirov A.B., Alchagirov B.B., Taova T.M., Khokonov Kh.B. Surface energy and surface tension of solid and liquid metals. Recommended Values // Transitions JWRI. 2001. V. 30. P. 287–291.
  44. 44. Самсонов В.М., Чернышова А.А., Сдобняков Н.Ю. О размерной зависимости поверхностной энергии и поверхностного натяжения металлических наночастиц // Известия РАН. Серия Физическая. 2016. Т. 80. № 6. C. 768–771. https://doi.org/10.7868/S0367676516060296
  45. 45. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu. A thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Cent. Eur. J. Phys. 2003. V. 1. № 2. P. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  46. 46. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028 (03)00090-6
  47. 47. Богданов С.С., Мясниченко В.С., Колосов А.Ю., Соколов Д.Н., Акимова Ю.Н., Антонов А.С., Сдобняков Н.Ю. Особенности процесса кристаллизации в биметаллических наноструктурах под внешним давлением // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. C. 422–430. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.422
  48. 48. Zhao Y.-Y., Qian F., Shen W., Zhao C., Wang J., Xie C., Zhou F., Chang C., Li Y. Facile synthesis of metal and alloy nanoparticles by ultrasound-assisted dealloying of metallic glasses // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 82. P. 144–152. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.016
QR
Translate

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library