Simulation of carbon nanoparticle formation during rapid cooling of carbon gas

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

On the basis of quasi-equilibrium thermodynamics and molecular dynamics modeling of the process of nanoparticle formation during rapid cooling of carbon gas heated to a high temperature at constant density, the possible pathway for the synthesis of nanocarbon particles is identified through condensation from the gas phase. Thermodynamic calculations take into account the increased enthalpy of formation for carbon nanoparticles. Based on the results of molecular dynamics calculations, three parameterizations of reaction-force fields (ReaxFF-CHO, ReaxFF-c2013, and ReaxFF-PAH) are recommended for molecular dynamics modeling of nanocarbon particle formation.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Sergey A. Gubin

National Research Nuclear University MEPhI; N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gubin_sa@mail.ru

Doctor of Science in physics and mathematics, professor, head of department, chief research scientist

Russian Federation, 31 Kashirskoe Sh., Moscow 115409; 4 Kosygin Str., Moscow 119991

Andrey V. Kudinov

National Research Nuclear University MEPhI

Email: swen379@gmail.com

postgraduate student

Russian Federation, 31 Kashirskoe Sh., Moscow 115409

Irina V. Maklashova

National Research Nuclear University MEPhI

Email: ivmaklashova@mephi.ru

senior lecturer

Russian Federation, 31 Kashirskoe Sh., Moscow 115409

Youlia A. Bogdanova

National Research Nuclear University MEPhI

Email: bogdanova.youlia@bk.ru

Candidate of Science in physics and mathematics, senior lecturer

Russian Federation, 31 Kashirskoe Sh., Moscow 115409

References

  1. Howard, J. B., J. T. McKinnon, Y. Makarovsky, A. L. Lafleur, and M. E. Johnson. 1991. Fullerenes C60 and C70 in flames. Nature 352(6331):139–141. doi: 10.1038/352139a0.
  2. Chen, X., F. Deng, J. Wang, H. Yang, G. Wu, X. Zhang, J. Peng, and W. Li. 2001. New method of carbon onion growth by radio-frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition. Chem. Phys. Lett. 336(3-4):201–204. doi: 10.1016/S0009-2614(01)00085-9.
  3. Niwase, K., T. Homae, K. Nakamura, and K. Kondo. 2002. Generation of giant carbon hollow spheres from C60 fullerene by shock-compression. Chem. Phys. Lett. 362(1):47–50. doi: 10.1016/S0009-2614(02)00997-1.
  4. Kang, J., J. Li, X. Du, C. Shi, N. Zhao, and P. Nash. 2008. Synthesis of carbon nanotubes and carbon onions by CVD using a Ni/Y catalyst supported on copper. Mat. Sci. Eng. A — Struct. 475(1-2):136–140. doi: 10.1016/j.msea.2007.04.027.
  5. Bgasheva, T. V., P. S. Vervikishko, A. M. Frolov, and M. A. Sheyndlin. 2016. Kristallizatsiya ugleroda iz para pri davleniyakh do 0,6 GPa [Crystallization of the carbon vapor at pressures up to 0.6 GPa]. Trudy Konferetsii-konkursa molodykh uchenykh [Conference-Competition of Young Physicists Proceedings] 22:88–90.
  6. Zheng, G., S. Irle, and K. Morokuma. 2005. Performance of the DFTB method in comparison to DFT and semiempirical methods for geometries and energies of C20–C86 fullerene isomers. Chem. Phys. Lett. 412(1-3):210–216. doi: 10.1016/j.cplett.2005.06.105.
  7. Qian, H.-J., A. C. van Duin, K. Morokuma, and S. Irle. 2011. Reactive molecular dynamics simulation of fullerene combustion synthesis: ReaxFF vs DFTB potentials. J. Chem. Theory Comput. 7(7):2040–2048. doi: 10.1021/ct200197v.
  8. Dozhdikov, V., A. Y. Basharin, P. Levashov, and D. Minakov. 2017. Atomistic simulations of the equation of state and hybridization of liquid carbon at a temperature of 6000 K in the pressure range of 1–25 GPa. J. Chem. Phys. 147(21):214302. doi: 10.1063/1.4999070.
  9. Van Duin, A. C. T., S. Dasgupta, F. Lorant, and W. A. Goddard. 2001. ReaxFF: A reactive force field for hydrocarbons. J. Phys. Chem. A 105(41):9396–9409. doi: 10.1021/jp004368u.
  10. Galiullina, G., N. Orekhov, and V. Stegailov. 2016. Nucleation of carbon nanostructures: Molecular dynamics with reactive potentials. J. Phys. Conf. Ser. 774(1):012033. doi: 10.1088/1742-6596/774/1/012033.
  11. Chenoweth, K., A. C. T. van Duin, and W. A. Goddard. 2008. ReaxFF reactive force field for molecular dynamics simulations of hydrocarbon oxidation. J. Phys. Chem. A 112(5):1040–1053. doi: 10.1021/jp709896w.
  12. Mueller, J. E., A. C. van Duin, and W. A. Goddard, III. 2010. Development and validation of ReaxFF reactive force field for hydrocarbon chemistry catalyzed by nickel. J. Phys. Chem. C 114(11):4939–4949. doi: 10.1021/jp9035056.
  13. Ashraf, C., and A. C. van Duin. 2017. Extension of the ReaxFF combustion force field toward syngas combustion and initial oxidation kinetics. J. Phys. Chem. A 121(5):1051–1068. doi: 10.1021/acs.jpca.6b12429.
  14. Mao, Q., Y. Ren, K. H. Luo, and A. C. T. van Duin. 2017. Dynamics and kinetics of reversible homo-molecular dimerization of polycyclic aromatic hydrocarbons. J. Chem Phys. 147:244305. doi: 10.1063/1.5000534.
  15. Victorov, S. B., H. El-Rabii, S. A. Gubin, I. V. Maklashova, and Y. A. Bogdanova. 2010. An accurate equation-of-state model for thermodynamic calculations of chemically reactive carbon-containing systems. J. Energ. Mater. 28:35–49. doi: 10.1080/07370652.2010.491496.
  16. Viecelli, J. A., S. Bastea, J. N. Glosli, and F. H. Ree. 2001. Phase transformations of nanometer size carbon particles in shocked hydrocarbons and explosives. J. Chem. Phys. 115(6):2730–2737. doi: 10.1063/1.1386418.
  17. Gubin, S. A., E. I. Dzhelilova, and I. V. Maklashova. 2014. Vliyanie formy i razmera nanochastits na fazovuyu diagrammu ugleroda [Influence of the shape and size of nanoparticles on the phase diagram of carbon]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 7:226–229.
  18. Von Helden, G., N. G. Gotts, and M. T. Bowers. 1993. Experimental evidence for the formation of fullerenes by collisional heating of carbon rings in the gas phase. Nature 363(6424):60–63. doi: 10.1038/363060a0.
  19. Liu, L., Y. Liu, S. V. Zybin, H. Sun, and W. A. Goddard, III. 2011. ReaxFF-lg: Correction of the ReaxFF reactive force field for London dispersion, with applications to the equations of state for energetic materials. J. Phys. Chem. A 115:11016–11022. doi: 10.1021/jp201599t.
  20. Srinivasan, S. G., A. C. T. van Duin, and P. Ganesh. 2015. Development of a ReaxFF potential for carbon condensed phases and its application to the thermal fragmentation of a large fullerene. J. Phys. Chem. A 119:571–580. doi: 10.1021/jp510274e.
  21. LAMMPS — a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Available at: https://www.lammps.org/ (accessed November 15, 2021).
  22. Ostroumova, G., N. Orekhov, and V. Stegailov. 2019. Reactive molecular-dynamics study of onion-like carbon nanoparticle formation. Diam. Relat. Mater. 94:14–20. doi: 10.1016/j.diamond.2019.01.019.
  23. Yasuoka, K., and M. Matsumoto. 1998. Molecular dynamics of homogeneous nucleation in the vapor phase. I. Lennard–Jones fluid. J. Phys. Chem. 109(19):8451–8462. doi: 10.1063/1.477509.
  24. Bundy, F. P. 1989. Pressure–temperature phase diagram of elemental carbon. Physica A 156(1):169–178. doi: 10.1016/0378-4371(89)90115-5.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1 Thermodynamic calculation of carbon gas cooling at ρ = 0.05 kg/m3

Download (70KB)
3. Figure 2 Snapshots of carbon nanostructure formation at ρ = 0.05 kg/m3 in time: (a) τ = 0 ns; (b) 0.60; (c) 0.65; (d) 0.70; (e) 0.80; (f ) 0.85; (g) 0.98; (h) 1.06, and (i) τ = 2.50 ns

Download (1MB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».