SURFACE MELTING IN NANOPARTICLES AND NANOSYSTEMS. 2. SCIENTIFIC AND NANOTECHNOLOGICAL ASPECTS OF THE ROLE OF SURFACE MELTING IN NANOPARTICLES AND NANOSYSTEMS

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Taking into account results of our molecular dynamics experiments, we have concluded that of the three commonly considered alternative models of nanoparticle melting (homogeneous melting, liquid shell, nucleation of liquid and growth), the latter is the most adequate. At the same time, a more adequate model corresponds to a combination of continuous melting at the initial stage of the process with its subsequent abrupt completion. In other words, nucleation and growth of a liquid-like surface layer occur until a certain critical radius of the crystalline core of the particle is reached, and then melting is completed very quickly, almost abruptly (in fractions of a nanosecond) at a temperature interpreted as the nanoparticle melting temperature Tm . Then, the role of surface melting in nanoparticle sintering is discussed. According to our results, the sintering of metal nanoparticles at high temperatures cannot be reduced to a single mechanism: a certain role play surface melting, surface and bulk diffusion, deformation in the contact zone, and collective effects associated with the displacements of groups (clusters) of atoms rather than of individual atoms. We also have put forward and substantiated the hypothesis that the previously introduced redetermined Tamman temperature TT =0,5 Tm corresponds to the switching of the scenario of sintering of metal nanoparticles from formation of a dumbbell-shaped nanocrystal at low temperatures to the scenario corresponding to coalescence of solid nanoparticles resulting in the formation of a defective nanocrystal of a shape close to spherical.

About the authors

Vladimir M. Samsonov

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.RUS
Tver, Russia

Sergey A. Vasilyev

Tver State University

Tver, Russia

Igor V. Talyzin

Tver State University

Tver, Russia

Vladimir V. Puitov

Tver State University

Tver, Russia

References

  1. Самсонов В.М. Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 1. Закономерности и механизмы поверхностного плавления макроскопических фаз и наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - C. 554-570. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.554.
  2. Dash, J.G. History of the search for continuous melting / J.G. Dash // Reviews of Modern Physics. - 1999.- V. 71. - I. 5. - P. 1737-1743. doi: 10.1103/RevModPhys.71.1737.
  3. Петров, Ю.И. Физика малых частиц / Ю.И. Петров - М.: Наука, 1982. - 359 с.
  4. Pawlow, P. Über die abhängigkeit des schmelzpunktes von der oberflächenenergie eines festen körpers (zusatz) / P. Pawlow // Zeitschrift Für Physikalische Chemie. - 1909. - V. 65u. - I. 1. - P. 545-548. doi: 10.1515/zpch-1909-6532.
  5. Самсонов, В.М. Сравнительное молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации нанокластеров никеля и золота / В.М. Самсонов, А.Г. Бембель, О.В. Шакуло, С.А. Васильев // Кристаллография. - 2014. - Т. 59. - Вып. 4. - С. 641-647.
  6. Самсонов, В.М. Молекулярно-динамическое исследование размерной зависимости теплоты плавления металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, А.Г. Бембель и др. // Физика твердого тела. - 2014. - Т. 56. - Вып. 12. - С. 2289-2292.
  7. Самсонов, В.М. Комплексный подход к компьютерному моделированию плавления и кристаллизации нанокластеров золота / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, А.Г. Бембель и др. // Вестник национального исследовательского ядерного университета "МИФИ". - 2013. - Т. 2. - Вып. 4. - С. 448-451. doi: 10.1134/S2304487X13040160.
  8. Самсонов, В.М. Комплексное применение атомистического и термодинамического моделирования к исследованию размерной зависимости температуры плавления металлических наночастиц / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2017. - Вып. 9. - С. 411-421. doi: 10.26456/pcascnn/2017.9.411.
  9. Самсонов, В.М. О размерной зависимости теплоты плавления металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, С.А. Васильев и др. // Известия РАН. Серия физическая. - 2016.- Т. 80. - № 5. - С. 547-550. doi: 10.7868/s0367676516050161.
  10. Самсонов, В.М. О причинах гистерезиса плавления и кристаллизации наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин и др. // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2016. - Т. 103. - Вып. 2. - С. 100-105. doi: 10.7868/s0370274x16020041
  11. Samsonov, V.M. Molecular dynamics simulation of melting and freezing of gold nanoclusters / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, S.A. Vasilyev // Proceedings of the International Conference Nanomaterials: Applications and Properties. - 2013. - V. 2. - I. 2. - Art. № 02PCN11. - 3 p.
  12. Самсонов, В.М. Молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации наночастиц / В.М. Самсонов, С.С. Харечкин, С.Л. Гафнер и др. // Кристаллография. - 2009. - Т. 54. - Вып. 3. - С. 530-536.
  13. Самсонов, В.М. О структурных переходах в наночастицах / В.М. Самсонов, С.С. Харечкин, С.Л. Гафнер и др. // Известия РАН. Серия физическая. - 2010. - Т. 74. - Вып. 5. - С. 707-710.
  14. Сдобняков, Н.Ю. Исследование термодинамических характеристик нанокластеров золота с использованием многочастичного потенциала Гупта / Н.Ю. Сдобняков, П.В. Комаров, Д.Н. Соколов и др. // Физика металлов и металловедение. - 2011. - Т. 111. - Вып. 1. - С. 15-22.
  15. Samsonov, V.M. Melting temperature and binding energy of metal nanoparticles: size dependences, interrelation between them, and some correlations with structural stability of nanoclusters / V.M. Samsonov, S.A. Vasilyev, K.K. Nebyvalova et al. // Journal of Nanoparticle Research. - 2020. - V. 22. - I. 8. - Art. № 247. - 15 p. doi: 10.1007/s11051-020-04923-6.
  16. Qi Y. Melting and crystallization in Ni nanoclusters: The mesoscale regime / Y. Qi, T. Çağin, W.L. Johnson et al. // The Journal of Chemical Physics. - 2001. - V. 115. - I. 1. - P. 385-394. doi: 10.1063/1.1373664.
  17. Song, P. Experimental and numerical study of nanoparticles for potential energy applications / P. Song // A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy. - London: University of London, 2010. - 320 p.
  18. Buffat, Ph. Size effect on the melting temperature of gold particles / Ph. Buffat, J.P. Borel // Physical Review A. - 1976. - V. 13. - I. 6. - P. 2287-2298. doi: 10.1103/PhysRevA.13.2287.
  19. Castro, T. Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters / T. Castro, R. Reifenberger, E. Choi, R.P. Andres // Physical Review B. - 1990. - V. 42. - I. 13. - P. 8548-8556. doi: 10.1103/physrevb.42.8548.
  20. Dick, K. Size-dependent melting of silica-encapsulated gold nanoparticles / K. Dick, T. Dhanasekaran, Zh. Zhang et al. // Journal of the American Chemical Society. - 2002. - V. 124. - I. 10. - P. 2312-2317. doi: 10.1021/ja017281a.
  21. Duan, H., Influence of size on melting thermodynamics of nanoparticles: mechanism, factors, range, and degree / H. Duan, Y. Xue, Z. Cui et al. // Particle & Particle Systems Characterization. - 2018. - V. 35. - I. 8.- Art. № 1800156. - 6 p. doi: 10.1002/ppsc.201800156.
  22. Foster, D.M. Atomic-resolution imaging of surface and core melting in individual size-selected Au nanoclusters on carbon / D.M. Foster, T. Pavloudis, J. Kioseoglou et al. // Nature Communications. - 2019.- V. 10. - Art. № 2583. - 8 p. doi: 10.1038/s41467-019-10713-z.
  23. Delgado-Callico, L. A universal signature in the melting of metallic nanoparticles / L. Delgado-Callico, K. Rossi, R. Pinto-Miles et al. // Nanoscale. - 2021. - V. 13. - I. 2. - P. 1172-1180. doi: 10.1039/d0nr06850k.
  24. Zeni, C. Data-driven simulation and characterisation of gold nanoparticle melting / C. Zeni, K. Rossi, T. Pavloudis et al. // Nature Communications. - 2021. - V. 12. - Art. № 6056. - 8 p. doi: 10.1038/s41467-021-26199-7.
  25. Samsonov, V.M. When mechanisms of coalescence and sintering at the nanoscale fundamentally differ: Molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, V.V. Puytov et al. // The Journal of Chemical Physics. - 2022. - V. 156. - I. 21. - Art. № 214302. - 52 p. doi: 10.1063/5.0075748.
  26. Nanda, K.K. Size-dependent melting of nanoparticles: Hundred years of thermodynamic model / K.K. Nanda // Indian Academy of Sciences. - 2009. - V. 72. - I. 4. - P. 617-628. doi: 10.1007/s12043-009-0055-2.
  27. Suliz, K.V. Control of cluster coalescence during formation of bimetallic nanoparticles and nanoalloys obtained via electric explosion of two wires / K.V. Suliz, A.Yu. Kolosov, V.S. Myasnichenko et al. // Advanced Powder Technology. - 2022. - V. 33. - I. 3. - Art. № 103518. - 15 p. doi: 10.1016/j.apt.2022.103518.
  28. 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.
  29. Dai, Y. The physical chemistry and materials science behind sinter-resistant catalysts / Y. Dai, P. Lu, Z. Cao et al. // Chemical Society Reviews. - 2018. - V. 47. - I. 12. - P. 4314-4331. doi: 10.1039/c7cs00650k.
  30. Андриевский, Р.А. Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и перспективы / Р.А. Андриевский. - М.: Бином, 2012. - 255 c.
  31. Peters, К.F. Melting of Pb nanocrystals / К.F. Peters, J.В. Cohen, Y.W. Chung // Physical Review B.- 1998. - V. 57. - I. 21. - P. 13430-13438. doi: 10.1103/PhysRevB.57.13430.
  32. Wronski, C.R.W. The size dependence of the melting point of small particles of tin / C.R.W. Wronski // British Journal of Applied Physics. - 1967. - V. 18. - № 12. - P. 1731-1737. doi: 10.1088/0508-3443/18/12/308.
  33. Samsonov, V.M. On surface pre-melting of metallic nanoparticles: molecular dynamics study / V.M. Samsonov I.V. Talyzin S.A. Vasilyev et al. // Journal of Nanoparticle Research. - 2023. - V. 25. - I. 6.- Art. № 105. - 15 p. doi: 10.1007/s11051-023-05743-0.
  34. Liang, T. Size-dependent melting modes and behaviors of Ag nanoparticles: a molecular dynamics study / T. Liang, D. Zhou, Z. Wu, P. Shi // Nanotechnology. -2017. - V. 28. - I. 48. - Art. № 485704. - 19 p. doi: 10.1088/1361-6528/aa92ac.
  35. Kofman, R. A. Melting of clusters approaching 0D / R. Kofman, P. Cheyssac, Y. Lereah et al. // The European Physical Journal D. - 1999. - V. 9. - I. 1. - P. 441-444. doi: 10.1007/s100530050475.
  36. Пуйтов, В.В. Закономерности и механизмы коалесценции нанокапель и спекания металлических наночастиц: молекулярно-динамическое моделирование / В.В. Пуйтов, А.А. Романов, И.В. Талызин и др. // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2022. - № 4. - С. 686-693.
  37. Самсонов, В.М. О механизмах коалесценции нанокапель и спекания твердых наночастиц / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, и др. // Коллоидный журнал. - 2020. - Т. 82. - Вып. 5. - С. 618-629. doi: 10.31857/s0023291220050158.
  38. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. - 1993. - V. 48. - I. 1. - P. 22-33. doi: 10.1103/PhysRevB.48.22.
  39. Свидетельство № 2013610101 Российская Федерация. Компьютерная программа для молекулярно-динамического моделирования нанокластеров: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / В.М. Самсонов, А.Г. Бембель, М.Ю. Пушкарь; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО "Тверской государственный университет". - № 2013610101; заявл. 08.11.2012; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 09.01.2013. - 1 с.
  40. Sambles, J.R. An electron microscope study of evaporating gold particles: Kelvin equation for liquid gold and the lowering of melting point of solid gold particles / J.R. Sambles // Proceedings of The Royal Society A.- 1971. - V. 324. - I. 1558. - P. 339-351. doi: 10.1098/rspa.1971.0143.
  41. Yuk, J.M. In situ atomic imaging of coalescence of Au nanoparticles on graphene: rotation and grain boundary migration / J.M. Yuk, M. Jeong, S.Y. Kim et al. // Chemical Communications. - 2013. - V. 49.- I. 98. - P. 11479-11481. doi: 10.1039/c3cc46545d.
  42. Surrey, A. Quantitative measurement of the surface self-diffusion on au nanoparticles by aberration-corrected transmission electron microscopy / A. Surrey, D. Pohl, L. Schultz et al. // Nano Letters. - 2012.- V. 12. - I. 12. - P. 6071-6077. doi: 10.1021/nl302280x.
  43. Алымов, М.И. Коагуляция наночастиц золота в тонких аморфных пленках при облучении пучком быстрых электронов / М.И. Алымов, А.А. Тимофеев, А.Г. Гнедовец // Российские нанотехнологии.- 2013. - Т. 8. - № 11-12. - С. 40-47.
  44. Samsonov, V.M. Solid-state wetting at the nanoscale: molecular dynamics and surface diffusion approach / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, I.V. Popov et al. // Surface Innovations. - 2017. - V. 5. - I. 3. - P. 161-169. doi: 10.1680/jsuin.17.00015.
  45. Болеста А.В. Плавление на контакте при соударении кластера никеля с жесткой стенкой/ А.В. Болеста, И.Ф. Головнев, В.М. Фомин // Физическая мезомеханика - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 5-10.
  46. Самсонов, В.М. О проблеме применения концепции температуры Таммана к наноразмерным объектам: к 160-летию Густава Таммана / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, В.В. Пуйтов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - C. 503-512. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.503.
  47. Chernyshev, A.P. Effect of nanoparticle size on the onset temperature of surface melting / A.P. Chernyshev // Materials Letters. - 2009. - V. 63. - I. 17. - P. 1525-1527. doi: 10.1016/j.matlet.2009.04.009.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).