Atomistic Simulation of Ti2C MXene Decoration with Ag Nanoparticles

Abstract

Представлено комп’ютерну модель, розроблену в рамках методів класичної молекулярної динаміки, для атомістичного моделювання осадження атомів срібла на поверхню двовимірного карбіду титану Ti2C (максену) та росту срібних наночастинок. В запропонованій моделі використовується гібридний міжатомний потенціал, де взаємодія між атомами металу та взаємодія метал-вуглець описується в рамках різних методів. Розроблена модель може бути використана для дослідження аналогічних систем, що складаються з атомів інших металів, а також двовимірних карбідів Ti(n + 1)Cn з n = 2 і 3. Проведені експерименти, що моделюють осадження атомів срібла на поверхню двовимірного карбіду титану Ti2C з трьома різними значеннями площі поверхні росту. Для дослідження особливостей формування наночастинок та процесів росту також розглянуто два випадки взаємодії між Ti2C та атомами срібла з міжатомними силами що відповідають утворенню хімічного зв’язку металевого типу та Ван дер Ваальсовими силами. Розглянуті випадки моделюють осадження на гідрофільну та гідрофобну поверхню відповідно. Показано що у випадку взаємодії підкладка-осаджені атоми гідрофільного типу на поверхні Ti2C максену утворюється тонка плівка срібла, в той час як для гідрофобної взаємодії спостерігається формування окремих наночастинок. Отримано модельний зразок системи зі сформованою наночастинкою срібла на поверхні двовимірного карбіду титану для якого були досліджені сили взаємодії між максеном і наночастинкою. Окрім стаціонарного випадку взаємодія підкладка – НЧ була розглянута також при зовнішньому навантаженні. В останньому випадку були розраховані ефективні сили тертя між наночастинкою та Ti2C при трьох різних значеннях прикладеної зовнішньої сили. Показано що поступальний рух наночастинки по поверхні максену спостерігається лише у випадку максимальної зовнішньої сили.

We report the numerical scheme that was developed within the framework of classical molecular dynamics methods for atomistic simulation of the deposition of Ag atoms onto the surface of two-dimensional (2D) titanium carbide Ti2C (MXene) and the growth of silver nanoparticles (NP). Developed model adopts hybrid interatomic potential, where interactions between metal atoms and between metal-carbon are described within different methods. Proposed model can be used to study similar systems consisting of other metals, as well as two-dimensional carbides Ti(n + 1)Cn with n = 2 and 3. Experiments on simulation of the deposition of silver atoms onto the surface of two-dimensional titanium carbide Ti2C with three different values of the growth surface area were performed. To investigate the peculiarities of nanoparticle formation and growth processes, two types of interaction between Ti2C and Ag atoms with the metallic-type bonding and Van der Waals forces were considered. Considered cases simulate deposition onto hydrophilic and hydrophobic surfaces, respectively. It is shown that in case of hydrophilic-type of interaction Ag thin film growth on the substrate, while in case of hydrophobic surface, separate nanoparticles are formed. A modeled sample of the system with a silver nanoparticle formed on the surface of two-dimensional titanium carbide was obtained, and forces of interaction between the Ti2C surface and NPs were calculated. In addition to the stationary case, the MXene-NP interaction was also considered under external loading. The friction forces between the nanoparticle and Ti2C were calculated at three different magnitudes of the external load. It is shown that translational movement of the nanoparticle on the MXene surface observed in the case with largest magnitude of external load.