ON THE STRUCTURAL STABILITY OF MONO- AND BINARY METALLIC NANOCAGES

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This work is devoted to the problem of thermal stability of mono- and binary metal nanocages consisting of gold and silver atoms. The number of atoms in the studied nanocages was 1744, 2150, 2470 and 3370 atoms. The characteristic size (outer diameter) of nanocages is from 4,4 to 5,1 nm. Interatomic interaction was described by the tight-binding potential. Analysis of the caloric dependences of the specific potential part of the internal energy made it possible to identify the temperature regions of «healing» of cavities (pores) on the faces and in the internal regions (cores) of nanocages. An example of the structural collapse of a nanocage is described in detail, as a result of which crystalline and quasicrystalline phases are identified in the nanoparticle core for a temperature corresponding to melting for the chosen size. Segregation in a binary Au-Ag nanocage before and after its collapse was also studied.

About the authors

Denis N. Sokolov

Tver State University

Tver, Russia

Oleg V. Polev

Tver State University

Tver, Russia

Vladimir S. Myasnichenko

Tver State University

Tver, Russia

Kseniya G. Savina

Tver State University

Tver, Russia

Nickolay Yu. Sdobnyakov

Tver State University

Email: nsdobnyakov@mail.RUS
Tver, Russia

References

  1. Myasnichenko, V. Simulated annealing method for metal nanoparticle structures optimization / V. Myasnichenko, L. Kirilov, R. Mikhov, S. Fidanova, N. Sdobnyakov // In: Advanced Computing in Industrial Mathematics. BGSIAM 2017. Studies in Computational Intelligence; ed. by K. Georgiev, M. Todorov, I. Georgiev. - 2019. - V. 793. - P. 277-289. doi: 10.1007/978-3-319-97277-0_23.
  2. Myasnichenko, V. Monte Carlo approach for modeling and optimization of one-dimensional bimetallic nanostructures / V. Myasnichenko, N. Sdobnyakov, L. Kirilov, R. Mikhov, S. Fidanova // Lecture Notes in Computer Science. Conference paper: International Conference on Numerical Methods and Applications, 20-24 August 2018. Borovets, Bulgaria. - 2019. - V. 11189. - P. 133-141. doi: 10.1007/978-3-030-10692-8_15.
  3. Myasnichenko, V. Structural instability of gold and bimetallic nanowires using Monte Carlo simulation / V. Myasnichenko, N. Sdobnyakov, L. Kirilov, R. Mikhov, S. Fidanova // In: Recent Advances in Computational Optimization. Studies in Computational Intelligence; ed. by S. Fidanova. - Cham: Springer, 2020. - V. 838.- P. 133-145. doi: 10.1007/978-3-030-22723-4_9.
  4. Myasnichenko, V. Representation of initial temperature as a function in simulated annealing approach for metal nanoparticle structures modeling / V. Myasnichenko, S. Fidanova, R. Mikhov, L. Kirilov, N. Sdobnyakov // Advances in High Performance Computing. HPC 2019. In: Studies in Computational Intelligence; ed. by I. Dimov, S. Fidanova. - Cham: Springer, 2021. - V. 902. - P. 61-72. doi: 10.1007/978-3-030-55347-0_6.
  5. Mikhov, R. Influence of the temperature on simulated annealing method for metal nanoparticle structures optimization / R. Mikhov, V. Myasnichenko, S. Fidanova, L. Kirilov, N. Sdobnyakov // Advanced Computing in Industrial Mathematics. BGSIAM 2018. In: Studies in Computational Intelligence; ed. by In: I. Georgiev, H. Kostadinov, E. Lilkova. - Cham: Springer, 2021. - V. 961. - P. 278-290. doi: 10.1007/978-3-030-71616-5_25.
  6. Hadjisavvas G.C. Advances in Monte Carlo simulations of nanostructured materials / G.C. Hadjisavvas, P.C. Kelires // In: Computer Simulation Studies in Condensed-Matter Physics XVIII: proceedings of the Eighteenth Workshop, Athens, GA, USA, March 7-11, 2005; ed. by D.P. Landau, S.P. Lewis, H.-B. Schüttler.- Berlin, Heidelberg: Springer, 2007. - V. 105. - P. 58-70. doi: 10.1007/978-3-540-32640-3_8.
  7. Viswanathan, V. Monte Carlo-based approach for simulating nanostructured catalytic and electrocatalytic systems / V. Viswanathan, F. Wang, H. Pitsch // Computing in Science & Engineering.- 2012. - V. 14. - I. 2. - P. 60-69. doi: 10.1109/MCSE.2011.40.
  8. Zhu, R. Atomistic simulation of nanostructured materials / R. Zhu. Doctoral dissertation. - Akron: University of Akron, 2006. - 130 p.
  9. White, R. Kinetic Monte Carlo simulation of vapor-liquid-solid nanostructure growth // R. White, M.E. Welland // Journal of Applied Physics. - 2007. - V. 102. - I. 10. - P. 104301-1-104301-7. doi: 10.1063/1.2805641.
  10. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. - Тверь: Тверcкой государственный университет, 2018. - 176 с.
  11. Wang, Y. A nucleation and growth model of silicon nanoparticles produced by pulsed laser deposition via Monte Carlo simulation / Y. Wang, A. Qin, L. Chu et al. // Modern Physics Letters B. - 2017. - V. 31. - I. 4.- P. 1750021-1-1750021-7. doi: 10.1142/S021798491750021X.
  12. Соколов, Д.Н. Новые возможности высокопроизводительных расчетов наносистем с использованием программного обеспечения Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - С. 624-638. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.624.
  13. Paz Borbón, L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. - 155 p. doi: 10.1007/978-3-642-18012-5.
  14. Байдышев, В.С. Изучение термической стабильности нанокластеров Pt, взаимодействующих с углеродными подложками / В.С. Байдышев, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер, Л.В. Редель // Физика твердого тела. - 2017. - Т. 59. - Вып. 12. - С. 2483-2489. doi: 10.21883/ПT.2017.12.45252.154.
  15. Skrabalak, S.E. Gold nanocages: synthesis, properties, and applications / S.E. Skrabalak, J. Chen, Y. Sun et al. // Accounts of Chemical Research. - 2008. - V. 41. - I. 12. - P. 1587-1595. doi: 10.1021/ar800018v.
  16. Skrabalak, S.E. Facile synthesis of Ag nanocubes and Au nanocages / S.E. Skrabalak, L. Au, X. Li, Y. Xia // Nature Protocols. - 2007. - V. 2. - I. 9. - P. 2182-2190. doi: 10.1038/nprot.2007.326.
  17. Zhang, Y. Seed-mediated synthesis of Au nanocages and their electrocatalytic activity towards glucose oxidation / Y. Zhang, F. Xu, Y. Sun et al. // Chemistry - A European Journal. - 2010. - V. 16. - I. 30. - P. 9248-9256. doi: 10.1002/chem.200903552.
  18. Lu, X. Fabrication of cubic nanocages and nanoframes by dealloying Au/Ag alloy nanoboxes with an aqueous etchant based on Fe(NO3)3 or NH4OH / X. Lu, L. Au, J. McLellan et al. // Nano Letters. - 2007. - V. 7. - I. 6. - P. 1764-1769. doi: 10.1021/nl070838l.
  19. Hu, M. Correlated Rayleigh scattering spectroscopy and scanning electron microscopy studies of Au-Ag bimetallic nanoboxes and nanocages / M. Hu, J. Chen, M. Marquez et al. // Journal of Physical Chemistry C.- 2007. - V. 111. - I. 34. - P. 12558-12565. doi: 10.1021/jp073691v.
  20. Zeng, J. A comparison study of the catalytic properties of Au-based nanocages, nanoboxes, and nanoparticles / J. Zeng, Q. Zhang, J. Chen, Y. Xia // Nano Letters. - 2010. - V. 10. - I. 1. - P. 30-35. doi: 10.1021/nl903062e.
  21. Skrabalak, S.E. Gold nanocages for cancer detection and treatment / S.E. Skrabalak, L. Au, X. Lu et al. // Nanomedicine. - 2007. - V. 2. - I. 5. - P. 657-668. doi: 10.2217/17435889.2.5.657
  22. Chen, J. Immuno gold nanocages with tailored optical properties for targeted photothermal destruction of cancer cells / J. Chen, D. Wang, J. Xi et al. // Nano Letters. - 2007. - V. 7. - I. 5. - P. 1318-1322. doi: 10.1021/nl070345g.
  23. Свидетельство № 2011615692 Российская Федерация. Молекулярнодинамическое моделирование и биоинспирированная оптимизация бинарных и тройных металлических наноструктур (КластерЭволюшн) / В.С. Мясниченко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова". - № 2011613732; заявл. 23.05.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 20.06.2011. - 1 с.
  24. Свидетельство № 2019661915 Российская Федерация. Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, П.М. Ершов, С.С. Богданов; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет". - № 2019660847; заявл. 30.08.2019; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.09.2019. - 1 с.
  25. Metropolis, N. The Monte Carlo method / N. Metropolis, S. Ulam // Journal of the American Statistical Association. - 1949. - V. 44. - I. 247. - P. 335-341. doi: 10.2307/2280232.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Perevezentsev, V.N. The theory of evolution of the microstructure of superplastic alloys and ceramics / V.N. Perevezentsev // In: Superplasticity. 60 years after Pearson: proceedings of the conference organized on behalf of the Superplastic Forming Committee of the Manufacturing Division of the Institute of Materials and Held at the University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST), 7-8 December 1994; ed. by N. Ridley. - London: CRC Press, 1995. - P. 51-59.
  29. Huang, R. Diverse melting modes and structural collapse of hollow bimetallic core-shell nanoparticles: a perspective from molecular dynamics simulations / R. Huang, G.-F. Shao, X.-M. Zeng, Y.-H. Wen // Scientific Reports. - 2014. - V. 4. - Art. № 7051. - 7 p. doi: 10.1038/srep07051.
  30. Сдобняков, Н.Ю. Исследование внутренней нанопористой структуры и внешней поверхности биметаллических наночастиц / Н.Ю. Сдобняков, В.С. Мясниченко, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 504-515. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.504.
  31. El-Toni, A.M. Design, synthesis and applications of core-shell, hollow core, and nanorattle multifunctional nanostructures / A.M. El-Toni, M.A. Habila, J.P. Labis et al. // Nanoscale. - 2016. - V. 8. - I. 5. - P. 2510-2531. doi: 10.1039/C5NR07004J.

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).