Двухфазная модель наночастицы типа «ядро–оболочка»

Предложена двухфазная модель плавления наночастицы типа «ядро–оболочка», в которой твердое ядро окружено квазижидкой оболочкой. Модель позволяет получить самосогласованные аналитические выражения для температуры плавления и эффективного поверхностного натяжения, зависящих от размера наночастицы, а также кинетические уравнения, описывающие временную эволюцию сокращающегося при нагреве твердого ядра. Анализ выявляет различные режимы плавления, в том числе выраженное ускорение на заключительной стадии, обусловленное понижением температуры плавления вследствие кривизны поверхности. Численные оценки для наночастиц серебра и меди показывают, что размерные эффекты способны существенно сократить время плавления. Полученные результаты дают простые и физически наглядные соотношения, позволяющие лучше понять процесс плавления на наноуровне, дают простую интерпретацию длины Толмена и объясняют перегрев, часто наблюдаемый при моделировании методом молекулярной динамики.

1. Vakros J., Avgouropoulos G. Tuning the physicochemical properties of nanostructured materials through advanced preparation methods. Nanoma- terials, 2022, 12 (6), 956.

2. Anastasiadis S.H., Chrissopoulou K., Stratakis E., Kavatzikidou P., Kaklamani G., Ranella A. How the physicochemical properties of manufactured nanomaterials affect their performance in dispersion and their applications in biomedicine: A review. Nanomaterials, 2022, 12 (3), 552.

3. Miller R.E., Shenoy V.B. Size-dependent elastic properties of nanosized structural elements. Nanotechnology, 2000, 11 (3), 139.

4. Andrievskii R.A., Khachoyan A.V. Role of size-dependent effects and interfaces in physicochemical properties of consolidated nanomaterials. Russ. J. Gen. Chem., 2010, 80, P. 555–566.

5. Guisbiers G. Size-Dependent materials properties toward a universal equation. Nanoscale Res. Lett., 2010, 5 (7), P. 1132–1136.

6. Auffan M., Rose J., Chane´ac C., Jolivet J., Masion A., Wiesner M.R., Bottero J. Surface reactivity of manufactured nanoparticles. In: Houdy P., Lahmani M., Marano F. (eds.) Nanoethics and nanotoxicology. Springer, Berlin, Heidelberg, 2011.

7. Marks L.D., Peng L. Nanoparticle shape, thermodynamics and kinetics. J. Phys.: Condens. Matter, 2016, 28 (5), 053001.

8. Lu An, Di Zhang, Lin Zhang, Gang Feng. Effect of nanoparticle size on the mechanical properties of nanoparticle assemblies. Nanoscale, 2019, 11, P. 9563–9573.

9. Ansari M.A. Modelling of size-dependent thermodynamic properties of metallic nanocrystals based on modified Gibbs–Thomson equation. Appl. Phys. A, 2021, 127, 385.

10. Al Rsheed A., Aldawood S., Aldossary O.M. The Size and Shape Effects on the Melting Point of Nanoparticles Based on the Lennard–Jones Potential Function. Nanomaterials, 2021, 11 (11), 2916.

11. Shekhawat D., Vauth M., Pezoldt J. Size dependent properties of reactive materials. Inorganics, 2022, 10 (4), 56.

12. Machrafi H. Surface tension of nanoparticle dispersions unravelled by size-dependent non-occupied sites free energy versus adsorption kinetics. NPJ Microgravity, 2022, 8, 47.

13. Rowlinson J.S., Widom B. Molecular Theory of Capillarity. Dover Publications, New York, 2002. 320 p.

14. Ono S., Kondo S. Molecular Theory of surface tension in liquids. In: Structure of liquids / Struktur der Flu¨ssigkeiten. Encyclopedia of Physics / Handbuch der Physik, vol. 3/10. Springer, Berlin, Heidelberg, 1960.

15. Tolman R.C. The effect of droplet size on surface tension. J. Chem. Phys., 1949, 17, 333.

16. Zeng Q., Yu A., Lu G. Evaluation of interaction forces between nanoparticles by molecular dynamics simulation. Ind. Eng. Chem. Res., 2010, 49 (24), P. 12793–12797.

17. Liang T., Zhou D., Wu Z., Shi P. Size-dependent melting modes and behaviors of Ag nanoparticles: a molecular dynamics study. Nanotechnology, 2017, 28 (48), 485704.

18. Rekhviashvili S.S. Size dependence of the surface tension of a small droplet under the assumption of a constant Tolman length: Critical analysis. Colloid J., 2020, 82, P. 342–345.

19. Samsonov V., Romanov A., Talyzin I., Lutsay A., Zhigunov D., Puytov V. Puzzles of surface segregation in binary Pt–Pd nanoparticles: Molecular dynamics and thermodynamic simulations. Metals, 2023, 13 (7), 1269.

20. Talyzin I.V., Samsonov M.V., Samsonov V.M., Pushkar M.Yu., Dronnikov V.V. Size dependence of the melting point of silicon nanoparticles: molecular dynamics and thermodynamic simulation. Semiconductors, 2019, 53, P. 947–953.

21. Tartaglino U., Timan T., Ercolessi F.E., Tosatti E. Melting and nonmelting of solid surface and nanosystems. Phys. Rep., 2005, 411 (5), P. 291-321. [22] Chernyshev A.P. Effect of nanoparticle size on the onset temperature of surface melting. Mater. Lett., 2009, 63 (17), P. 1525–1527.

22. Alarifi H.A., Atis¸ M., O¨ zdog˘an C., Hu A., Yavuz M., Zhou Y. Determination of complete melting and surface premelting points of silver nanoparticles by molecular dynamics simulation. J. Phys. Chem. C, 2013, 117 (23), P. 12289–12298.

23. Qiao Z., Feng H., Zhou J. Molecular dynamics simulations on the melting of gold nanoparticles. Phase Transitions, 2014, 87 (1), P. 59–70.

24. Alavi S., Thompson D.L. Molecular dynamics simulations of the melting of aluminum nanoparticles. J. Phys. Chem. A, 2006, 110 (4), P. 1518– 1523.

25. Rusanov A.I. Surface thermodynamics revisited. Surf. Sci. Rep., 2005, 58, P. 111–239.

26. Rusanov A.I. On the material equilibrium of nanoparticles. Nanotechnology, 2006, 17 (2), P. 575–580.

27. Rusanov A.I., Tatyanenko D.V., Shchekin A.K. New approach to defining thermodynamic surface tension of solids. Colloid J., 2010, 72, P. 673– 678.

28. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surfaces, 6th ed. Wiley-Interscience, New York, 1997. 784 p.

29. Tyson W.R., Miller W.A. Surface free energies of solid metals estimation from liquid surface tension measurements. Surf. Sci., 1977, 62 (1), P. 267–276.

30. Korostelev S.Yu., Slyadnikov E.E., Turchanovsky I.Yu. Simulation of a nonequilibrium melting process of copper nanoparticles using a molecular dynamics method. AIP Conf. Proc., 2020, 2310, 020159.

31. Wu R., Xiuchen Zhao X., Liu Y. Atomic insights of Cu nanoparticles melting and sintering behavior in Cu–Cu direct bonding. Mater. Des., 2021, 197, 109240.

32. Trong D.N., Long V.C., Talu S. Molecular dynamics simulation of bulk Cu material under various factors. Appl. Sci., 2022, 12, 4437.

33. Zhang C., Peng W., Shao Y., Oleksandr M., Lu L., Zhang X. Study on the melting and sintering behavior of Cu-Fe mixed nanoparticles based on molecular dynamics simulations. Mater. Des., 2024, 248, 113457.