Nanothermodynamics on the Example of Metallic Nanoparticles

V. M. Samsonov; Самсонов В. М.; S. A. Vasilev; Васильев С. А.; I. V. Talyzin; Талызин И. В.; K. K. Nebyvalova; Небывалова К. К.; V. V. Puitov; Пуйтов В. В.

doi:10.31857/S004445372308023X

Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц

Авторы: Самсонов В.М.¹, Васильев С.А.¹, Талызин И.В.¹, Небывалова К.К.¹, Пуйтов В.В.¹
Учреждения:
1. Тверской государственный университет
Выпуск: Том 97, № 8 (2023)
Страницы: 1167-1177
Раздел: ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ, СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР И НАНОМАТЕРИАЛОВ
Статья получена: 15.10.2023
Статья опубликована: 01.08.2023
URL: https://ogarev-online.ru/0044-4537/article/view/136667
DOI: https://doi.org/10.31857/S004445372308023X
EDN: https://elibrary.ru/QZZSLS
ID: 136667

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

После анализа проблемы распространения метода поверхностных избытков Гиббса на наноразмерные объекты, рассмотрены два различных подхода к применению метода Гиббса для нахождения удельной поверхностной энергии металлических наночастиц. Первый из них отвечает использованию локально-координационного приближения для оценки удельной поверхностной энергии икосаэдрических наночастиц ГЦК-металлов (магических нанокластеров). Впервые мы обратили внимание на то, что для такого нанокластера возможен точный расчет как доли поверхностных атомов, так и значений первого координационного числа во внутренней области наночастицы и на ее поверхности (на гранях, ребрах и в вершинах). Второй подход, реализованный нами ранее для сферических наночастиц Au, а в данной работе – для ГЦК наночастиц Pt, отвечает комплексному применению метода Гиббса, адаптированного для наночастиц и результатов молекулярно-динамического моделирования. Оценки с использованием обоих подходов достаточно хорошо согласуются с экспериментальными значениями поверхностной энергии, отвечающими плоской поверхности объемных фаз соответствующих металлов. В завершающем разделе работы обсуждаются границы применимости термодинамики к наносистемам.

Ключевые слова

металлические нанокластеры, нанотермодинамика, метод избытков Гиббса, локально-координационное приближение, молекулярная динамика, поверхностная энергия

Список литературы

Русанов А.И. // Рос. хим. журн. 2006. Т. L. № 2. С. 145.
Русанов А.И. // Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. № 10. С. 1736.
Русанов А.И. // Тезисы 2 Межд. сов. “Нуклеация и нелинейные проблемы в фазовых переходах I рода”. СПб., 2002. С. 13.
Hill T. // Nano Letters. 2001. V. 1. № 3. P. 111.
Chamberlin R.V. // Nature. 2000. V. 408. P. 337.
Hill T. Thermodynamics of Small Systems. New York: W.A. Benjamin Inc., 1963, 1964. 416 p.
Chamberlin R.V. // Entropy. 2015. V. 17. P. 52. https://doi.org/10.3390/e17010052
Русанов А.И. Термодинамика поверхностных явлений. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1960. 180 с.
Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. Л.: Химия, 1967. 388 с.
Русанов А.И. Лекции по термодинамике поверхностей СПб.−М.−Краснодар: Лань, 2013. 237 с.
Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. 291 с.
Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М.: Мир, 1986.
Гиббс Дж. В. Термодинамика и статистическая механика. М.: Наука, 1982. https://doi.org/10.1017/CBO9780511686948
Broendersz Ch.P., Roncenray P. // Nature. 2022. V. 604. P. 46. https://doi.org/10.1038/d41586-022-00869-y
Jazynski C. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. № 14. P. 2690. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690
Sanders-Gutierrez O.A., Luna-Valenzuela A., Posada-Borbón A. et al. // Comp. Mat. Sci. 2022. V. 21. P. 110908. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110908
Sdobnyakov N.Yu., Veselov A.D., Ershov P.M. et al. // Comp. Mat. Sci. 2018. V. 153. P. 153. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.06.037
Delogu F. // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. I. 46. P. 21938. https://doi.org/10.1021/jp0554902
Lai S.L., Guo J.Y., Petrova V. et al. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. I. 1. P. 99. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.99
Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. М.: Техносфера, 2010. 352 с.
Samsonov V.M., Vasilyev S.A., Nebyvalova K.K. et al. // J. Nanopart. Res. 2020. V. 22. I. 6. Art. № 247. https://doi.org/10.1007/s11051-020-04923-6
Samsonov V.M., Talyzin I.V., Puytov V.V. et al. // J. Chem. Phys. 2022. V. 156. I. 21. Art. № 214302. https://doi.org/10.1063/5.0075748
Tolman R.C. // J. Chem. Phys. 1949. V. 17. P. 333. https://doi.org/10.1063/1.1747247
Быков Т.В., Щекин А.К. // Неорганические материалы. 1999. Т. 35. № 6. С. 759.
Самсонов В.М., Чернышова А.А. // Колл. ж., 2016. Т. 78. № 3. С. 365. https://doi.org/10.7868/S0023291216030149
Miguel R., Rubí J.M. // J. Chem. Phys. 2021. V. 155. I. 22. Art. № 221101. https://doi.org/10.1063/5.0072533
Щербаков Л.М. Оценка избыточной свободной энергии малых объектов // Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1964. С. 17.
Самсонов В.М. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 11. С. 2063.
Бойнович Л.Б. // Успехи химии. 2007. Т. 76. № 5. С. 510. https://doi.org/10.1070/RC2007v076n05ABEH003692
Быков Т.В., Щекин А.К. // Коллоидн. журн. 1999. Т. 61. № 2. С. 164.
Samsonov V.M., Bazulev A.N., Sdobnyakov N.Yu. // Cent. Eur. J. Phys. 2003. V. 1. № 3. P. 474. https://doi.org/10.2478/BF02475858
Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
Шебзухова М.А., Шебзухов З.А., Шебзухов А.А. // ФТТ. 2012. Т. 54. № 1. С. 173. https://doi.org/10.1134/S1063783412010295
Шебзухов З.А., Шебзухова М.А., Шебзухов А.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. № 7. С. 983. https://doi.org/10.3103/S1062873809070211
Магомедов М.Н. // ФТТ. 2021. Т. 63. № 9. С. 1415.
Магомедов М.Н. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020. № 11. С. 88. https://doi.org/10.31857/S1028096020110102
Гуггенгейм E.A. Современная термодинамика, изложенная по методу У. Гиббса. Л.-М.: Госхимиздат, 1941. 188 с.
Samsonov V.M., Bembel A.G., Kartoshkin A.Y. et al. // J. Therm. Anal. Calorim. 2018. V. 133. I. 2. P. 1207. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7245-4
Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., Vasilyev S.A. // Appl. Nanosci. 2019. V. 9. I. 1. P. 119. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0895-5
Самсонов В.М., Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Самсонов М.В. // ФММ. 2019. Т. 120. № 6. С. 630. https://doi.org/10.1134/S0015323019060111
Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu. et al. // Comp. Mat. Sci. 2021. V. 199. art.no. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
Kaptay G. // J. Mater. Sci. 2016. V. 51. P. 1738. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9533-8
Foster D.M., Pavloudis Th., Kioseoglou J., Palmer R.E. // Nat. Commun. 2018. V. 9. I. 1. P. 2583. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10713-z
Zeni C. // Nat. Commun. 2021. V. 12. P. 6056. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26199-7
Foster D.M., Ferrando R., Palmer R.E. // Nat. Commun. 2018. V. 9. I. 1. P. 1323. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03794-9
Nelli D., Rossi G., Wang Z. et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. I. 14. P. 7688. https://doi.org/10.1039/C9NR10163B
Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018. 403 с. Tovbin Yu.K. Small Systems and Fundamentals of Thermodynamics. Boca Raton, 2018. 436 p. https://doi.org/10.1201/9780429503931
Tovbin Y.K. // Russ. J. Phys. Chem. 2021. V. 95. P. 637. https://doi.org/10.1134/S0036024421020266
Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. Москва−Ижевск. 2001. 160 с. https://doi.org/10.1149/1.2425756
де Гроот С.Р., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М: Мир, 1964. 456 с. (De Groot S.R., Mazur P. Non-Equilibrium Thermodynamics. Dover Publications, 2013. 510 p.)
Chini P. // Gazzetta Chimica Italiana. 1979. V. 109. P. 225.
Adams J.B., Foiles S.M., Wolfer W.G. // J. Mater. Res. 1989. V. 4. I. 1. P. 102. https://doi.org/10.1557/JMR.1989.0102
Викарчук А.А., Воленко А.П. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 2. С. 339. https://doi.org/10.1134/1.1866418
Гафнер С.Л., Редель Л.В., Головенько Ж.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 89. № 7. С. 425. https://doi.org/10.1134/S0021364009070121
Reinhard D., Hall B.D., Berthoud P. et al. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. I. 8. P. 1459. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.79.1459
Baletto F., Motter C., Ferrando R. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. I. 24. P. 5544. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5544
Полухин В.А., Ватолин Н.А. Моделирование разупорядоченных и наноструктурированных фаз. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2011. 463 с.
Кузьмин В.И., Тытик Д.Л., Белащенко Д.К., Сиренко А.Н. // Коллоидн. журн. 2008. Т. 70. № 3. С. 316. https://doi.org/10.1134/S1061933X08030058
Кузьмин В.И., Гадзаов А.Ф., Тытик Д.Л. и др. // Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5. № 11–12. С. 92. https://doi.org/10.1134/S199507801011008X
Qi W.H., Wang M.P. // Mater. Chem. Phys. 2004. V. 88. I. 2–3. P. 280. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2004.04.026
Kumar R., Kumar M. // Indian J. Pure Appl. Phys. 2012. V. 50. I. 5. P. 329.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Книга по требованию, 2012.
Alchagirov A.B., Alchagirov B.B., Taova T.M., Khokonov Kh.B. // Transactions of JWRI (Joining and Welding Research Institute). 2001. V. 30. Special Issue. P. 287
Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press, 2017. 626 p.
Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
Пуйтов В.В., Романов А.А., Талызин И.В., Самсонов В.М. // Изв. Академии наук. Сер. химическая. 2022. № 4. С. 686. https://doi.org/10.1007/s11172-022-3466-6
Samsonov V.M., Romanov A.A., Kartoshkin A.Yu. et al. // Appl. Phys. A. 2022. V. 128. P. 826. https://doi.org/10.1007/s00339-022-05922-1
Витоль Э.Н. // Коллоидн. журн. 1992. Т. 54. № 3. С. 21.
Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Базулев А.Н., Новожилова Д.А. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2017. Т. 81. № 3. С. 409. https://doi.org/10.7868/S0367676517030310
Samsonov V.M., Talyzin I.V., Samsonov M.V. // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1658. Art. № 012046. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1658/1/012046
Häkkinen H., Moseler M., Landman U. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. I. 3. Art. № 033401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.033401
Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Васильев С.А. и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 364. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.364