К проблеме стабильности малых объектов на примере молекулярно-динамических моделей металлических наночастиц и наносистем

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

После краткого обсуждения проблемы стабильности и нестабильности дисперсных систем в коллоидной химии, включая идеи и концепции, восходящие к П. А. Ребиндеру, предложена следующая классификация нестабильностей отдельных (свободных) наночастиц: 1) нестабильность по отношению к спонтанному распаду на отдельные молекулы (атомы) или нанокластеры меньшего размера; 2) нестабильность формы; 3) нестабильность интегральной структуры наночастиц; 4) нестабильность мезоскопической структуры; 5) нестабильность физико-химических характеристик наночастиц; 6) нестабильность по отношению к воздействию внешней среды, в том числе химическая нестабильность, включая нестабильность к окислению. В качестве примеров рассмотрены проблемы стабильности изомеров металлических нанокластеров и стабильности биметаллических наноструктур ядро-оболочка. Теоретические концепции, связанные со стабильностью и нестабильностью наночастиц, проиллюстрированы нашими молекулярно-динамическими результатами для изомеров нанокластеров Au и для взаимно инверсных (альтернативных) биметаллических наноструктур ядро-оболочка Co@Au и Au@Co (первый элемент (перед символом @) отвечает центральной области (ядру) частицы, а второй – ее оболочке).

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. М. Самсонов

Тверской государственный университет

Author for correspondence.
Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

Н. Ю. Сдобняков

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

А. Ю. Колосов

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

С. С. Богданов

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

И. В. Талызин

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

С. А. Васильев

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

Г. К. Савина

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

В. В. Пуйтов

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

А. Н. Базулев

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, 170100, Тверь, ул. Желябова, 33

References

  1. Ребиндер П.А. Избранные труды. М.: Наука, 1978. С. 36–40.
  2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2004. С. 292–302.
  3. Песков Н.П. Физико-химические основы коллоидной науки. Л.: Гос. хим.-техн. изд-во, 1932.
  4. Пуйтов В.В., Романов А.А., Талызин И.В., Самсонов В.М. Закономерности и механизмы коалесценции нанокапель и спекания металлических наночастиц: молекулярно-динамическое моделирование // Известия Академии наук. Серия химическая. 2022. № 4. С. 686–693.
  5. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Puytov V.V., Vasilyev S.A., Romanov A.A., Alymov M.I. When mechanisms of coalescence and sintering at the nanoscale fundamentally differ: Molecular dynamics study // The Journal of Chemical Physics. 2022. V. 156. № 21. P. 214302. https://doi.org/10.1063/5.0075748
  6. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М: Наука, 1985. 398 с.
  7. Бойнович Л.Б. Дальнодействующие поверхностные силы и их роль в развитии нанотехнологии // Успехи химии. 2007. Т. 76. № 5. С. 510–528.
  8. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M., Pashinin A.S., Lee C.H., Drelich J., Yap Y.K. Origins of thermodynamically stable superhydrophobicity of boron nitride nanotubes coatings // Langmuir. 2012. V. 28. № 2. P. 1206–1216. https://doi.org/10.1021/la204429z
  9. Самсонов В.М., Васильев С.А., Талызин И.В., Небывалова К.К., Пуйтов В.В. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц // Журнал физической химии. 2023. Т. 97. № 8. С. 1167–1177. https://doi.org/10.31857/S004445372308023X
  10. Лахно В.Д. Кластеры в физике, химии и биологии. Москва–Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2001.
  11. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005.
  12. Reinhard D., Hall B.D., Berthoud P., Valkealahti S., Monot R. Size-dependent icosahedral-to-fcc structure change confirmed in unsupported nanometer-sized copper clusters // Physical Review Letters. 1997. V. 79. № 8. P. 1459–1462. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.79.1459
  13. Missiaen J.M., Voytovich R., Jilles B., Eustathopoulos N. Solid state spreading in the Cu/Cu system // Journal of Materials Science. 2005. V. 40. № 9–10. P. 2377–2381. https://doi.org/10.1007/s10853-005-1962-3
  14. Li C., Li Y., Li G., Wu S. Functional nanoparticles for enhanced cancer therapy // Pharmaceutics. 2022. V. 14. № 8. P. 1682. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14081682.
  15. Настулявичус А.А., Кудряшов С.И., Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Лазерная генерация коллоидных наночастиц в жидкостях: ключевые процессы лазерного диспергирования и основные характеристики наночастиц // Коллоидный журнал. 2023. Т. 85. № 2. С. 200–218. https://doi.org/10.31857/S0023291223600037
  16. Phan H.T., Haes A.J. What does nanoparticle stability mean? // Journal of Physical Chemistry C: Nanomaterials and interfaces. 2019. V. 123. № 27. P. 16495–16507. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b00913
  17. Xu L., Liang H.-W., Yang Y., Yu S.-H. Stability and reactivity: Positive and negative aspects for nanoparticle processing // Chemical Reviews. 2018. V. 118. № 7. P. 3209–3250. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00208
  18. Товбин Ю.К. Второе начало термодинамики, термодинамика Гиббса и времена релаксации термодинамических параметров // Журнал физической химии. 2021. Т. 95. № 4. С. 483–507. https://doi.org/10.31857/S0044453721020266
  19. Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018.
  20. 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 // Computational Materials Science. 2021. V. 199. P. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
  21. Albrecht W., van de Glind A., Yoshida H., Isozaki Y., Imhof A., van Blaaderen A., de Jongh P.E., de Jong K.P., Zečević J., Takeda S. Impact of the electron beam on the thermal stability of gold nanorods studied by environmental transmission electron microscopy // Ultramicroscopy. 2018. V. 193. P. 97–103. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.05.006
  22. Čubová K., Čuba V. Synthesis of inorganic nanoparticles by ionizing radiation – a review // Radiation Physics and Chemistry. 2020. V. 169. P. 108774. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2020.108774
  23. Shim J.H., Lee B.J., Cho Y.W. Thermal stability of unsupported gold nanoparticle: A molecular dynamics study // Surface Science. 2002. V. 512. № 2. P. 262–268. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(02)01692-8
  24. Полухин В.А., Курбанова Э.Д., Ригмант Л.К., Галашев А.Е., Ватолин Н.А. Исследование размерных эффектов, термостабильности нанокластеров d-meталов (Ni, Pd) и кремния на основе молекулярно-динамического моделирования // Перспективные материалы. 2009. № 4. С. 13–21.
  25. Головенько Ж.В., Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л., Редель Л.В. Термическая стабильность структуры в малых кластерах золота // Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. № 12. С. 1121–1127. https://doi.org/10.7868/S0015323013120024
  26. Замулин И.С., Старостенков М.Д. Особенности термостабильности в нанокластерах металлов платиновой группы // Наноматериалы и наноструктуры – XXI век. 2015. Т. 6. № 4. С. 7–11.
  27. Cao X., Zhou J., Wang H., Li S., Wang W., Qin G. Abnormal thermal stability of sub-10 nm Au nanoparticles and their high catalytic activity // Journal of Materials Chemistry A. 2019. V. 7. № 18. P. 10980–10987. https://doi.org/10.1039/C8TA10515D
  28. Sadovnikov S.I., Vovkotrub E.G. Thermal stability of nanoparticle size and phase composition of nanostructured Ag2S silver sulfide // Journal of Alloys and Compounds. 2018. V. 766. P. 140–148. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.351
  29. Andrievski R.A. Review of thermal stability of nanomaterials // Journal of Materials Science. 2014. V. 49. № 4. P. 1449–1460. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7836-1
  30. Андриевский Р.А. Термическая стабильность наноматериалов // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 10. С. 967–981.
  31. Samsonov V.M., Sdobnyakov N. Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surface Science. 2003. V. 532. P. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
  32. Samsonov V.M., Sdobnyakov N. Yu. A Thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Central European Journal of Physics. 2003. V. 1. № 2. P. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  33. Bochicchio D., Ferrando R. Morphological instability of core-shell metallic nanoparticles // Physical Review B: Condensed Matter. 2013. V. 87. № 16. P. 165435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165435
  34. Pu Z., Cao M., Yang J., Huang K., Hu C. Controlled synthesis and growth mechanism of hematite nanorhombohedra, nanorods and nanocubes // Nanotechnology. 2006. V. 17. № 3. P. 799–804. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/3/031
  35. Васильев С.А., Дьякова Е.В., Картошкин А.Ю., Самсонов М.В., Самсонов В.М. Поверхностная сегрегация как фактор стабильности/нестабильности бинарной металлической нанопроволоки // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2020. Т. 84. № 9. С. 1310–1312. https://doi.org/10.31857/S0367676520090380
  36. Chen X., Huang R., Shih T.-M., Wen Y.-H. Shape stability of metallic nanoplates: A molecular dynamics study // Nanoscale Research Letters. 2019. V. 14. P. 357. https://doi.org/10.1186/s11671-019-3192-7
  37. Rodríguez-López J.L., Montejano-Carrizales J.M., Palomares-Báez J.P., Barrón-Escobar H., Velázquez-Salazar H., Cabrera-Trujillo J.M., José-Yacamán M. Size effect and shape stability of nanoparticles // Key Engineering Materials. 2010. V. 444. P. 47–68. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.444.47
  38. Foster D.M., Ferrando R., Palmer R.E. Experimental determination of the energy difference between competing isomers of deposited, size-selected gold nanoclusters // Nature Communications. 2018. V. 9. P. 1323. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03794-9
  39. Ferrando R., Jellinek J., Johnston R.L. Nanoalloys: From theory to applications of alloy clusters and nanoparticles // Chemical Reviews. 2008. V. 108. № 3. P. 845–910. https://doi.org/10.1021/cr040090g
  40. 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
  41. 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
  42. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Талызин 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. Ceрия физическая. 2021. Т. 85. № 9. C. 1239–1244. https://doi.org/10.31857/S0367676521090246.
  43. 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
  44. 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. P. 065309. https://doi.org/10.1063/1.4986905
  45. Bohra M., Alman V., Showry A., Singh V., Diaz R.E., Sowwan M., Grammatikopoulos P. Aggregation vs surface segregation: Antagonism over the magnetic behavior of NiCr nanoparticles // ACS Omega. 2020. V. 5. № 51. P. 32883–32889. https://doi.org/ 10.1021/acsomega.0c03056
  46. Dai Y., Lu P., Cao Z., Campbell C.T., Xia Y. The physical chemistry and materials science behind sinter-resistant catalysts // Chemical Society Reviews. 2018. V. 47. № 12. P. 4314–4331. https://doi.org/10.1039/C7CS00650K
  47. Auffan M., Rose J., Wiesner M.R., Bottero J.Y. Chemical stability of metallic nanoparticles: A parameter controlling their potential cellular toxicity in vitro // Environmental Pollution. 2009. V. 157. № 4. P. 1127–1133. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.10.002
  48. Odzak N., Kistler D., Behra R., Sigg L. Dissolution of metal and metal oxide nanoparticles in aqueous media // Environmental Pollution. 2014. V. 191. P. 132–138. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.04.010
  49. Dobbrow C., Schmidt A.M. Improvement of the oxidation stability of cobalt nanoparticles // Journal of Nanotechnology. 2012. V. 3. P. 75–81. https://doi.org/10.3762/bjnano.3.9
  50. Gromov A.A., Strokova Y.I., Teipel U. Stabilization of metal nanoparticles–a chemical approach // Chemical Engineering & Technology. 2009. V. 32. № 7. P. 1049–1060. https://doi.org/10.1002/ceat.200900022
  51. Алымов М.И., Зеленский В.А., Трегубов И.В., Анкудинов А.Б. Влияние режимов восстановления на дисперсность и степень восстановления никелевых нанопорошков // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 5. С. 55–58.
  52. Alymov M.I., Timofeev A.A., Gnedovets A.G. Coagulation of gold nanoparticles in thin amorphous films under irradiation with a fast electron beam // Nanotechnologies in Russia. 2013. V. 8. № 11–12. P. 727–736. https://doi.org/10.1134/s1995078013060037
  53. Pellicer E., Varea A., Sivaraman K.M., Pané S., Suriñach S., Baró M.D., Nogués J., Nelson B.J., Sort J. Grain boundary segregation and interdiffusion effects in the nickel-copper alloys: An effective means to improve the thermal stability of nanocrystalline nickel // ACS Applied Materials & Interfaces. 2011. V. 3. № 7. P. 2265–2274. https://doi.org/10.1021/am2004587
  54. LAMMPS Molecular dynamics simulator. http://lammps.sandia.gov (accessed on August 15, 2023).
  55. Adams J.B., Foiles S.M., Wolfer W.G. Self-diffusion and impurity diffusion of FCC metals using the 5-frequency model and the embedded atom method // Journal of Materials Research. 1989. V. 4. № 1. P. 102–112. https://doi.org/10.1557/JMR.1989.0102
  56. Пуйтов В.В., Талызин И.В., Васильев С.А., Самсонов В.М. Генерация кубооктаэдрических наночастиц // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020661196.
  57. Пуйтов В.В., Талызин И.В., Васильев С.А., Самсонов В.М. Разработка и апробирование алгоритмов генерации начальных конфигураций изомеров металлических нанокластеров // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2020. Вып. 12. С. 474–485. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2020.12.474
  58. Гафнер С.Л., Редель Л.В., Головенько Ж.В., Гафнер Ю.Я., Самсонов В.М., Харечкин С.С. Структурные переходы в малых кластерах никеля // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009. Т. 89. № 7. С. 425–431.
  59. Кузьмин В.И., Тытик Д.Л., Белащенко Д.К., Сиренко А.Н. Строение кластеров серебра с магическими числами атомов по данным молекулярной динамики // Коллоидный журнал. 2008. Т. 70. № 3. С. 316–329.
  60. Кузьмин В.И., Гадзаов А.Ф., Тытик Д.Л., Белащенко Д.К., Сиренко А.Н. Методы разделения быстрых и медленных движений атомов как основа анализа динамической структуры наночастиц // Российские нанотехнологии. 2010. № 11–12. C. 92–97.
  61. Baletto F., Mottet C., Ferrando R. Reentrant morphology transition in the growth of free silver nanoclusters // Physical Review Letters. 2000. V. 84. № 24. P. 5544–5547. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5544
  62. Викарчук А.А., Воленко А.П. Пентагональные кристаллы меди: многообразие форм роста и особенности внутреннего строения // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 2. С. 339–344.
  63. Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Базулев А.Н. Размер металлических наночастиц как фактор их стабильности // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2018. № 10. С. 576–583. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2018.10.576
  64. Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография. Тверь: Изд-во ТвГУ, 2018.
  65. 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 // Materials Chemistry and Physics. 2019. V. 238. P. 121895. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121895
  66. 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. № 11. С. 520–534. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.520
  67. Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers // Physical Review B. 2004. V. 69. № 14. P. 144113. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.144113
  68. Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Physical Review B. 1993. V. 48. № 1. Р. 22–33. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.22
  69. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO–the open visualization tool // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2010. V. 18. № 1. P. 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. MD configurations corresponding to the transformation of the cuboctahedral nanocluster Au561 into an icosahedral nanoparticle: a – 140 ps after the start of heating (temperature 440 K); b – 160 ps after the start of heating (temperature 460 K). The heating rate is 1 K/ps.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Evolution of the Co15000@Au15000 nanoparticle during its relaxation at 1100 K during: a – 10 ns, b – 40 ns, c – 43.2 ns. Au atoms are marked in yellow, Co atoms in red.

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Evolution of the Au15000@Co15000 nanoparticle during its relaxation at 1100 K during: a – 10 ns, b – 40 ns, c – 50 ns.

Download (1MB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Formation of the Co2500@Au2500 nanostructure as a result of coalescence of Au2500 and Co2500 nanoparticles: a is the equatorial section of the initial configuration, b is the equatorial section of the final configuration. Here, Au atoms are marked in yellow, and Co atoms are marked in red. Panel "b" shows the equatorial section of the final configuration with a distribution over local crystal structures: green spheres correspond to the HCC structure, red spheres correspond to the GPU, blue spheres correspond to the BCC, yellow spheres correspond to the IR nuclei. The white spheres correspond to atoms unrecognized by the Ovito program [69].

Download (478KB)
Indexing metadata


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies