Моделювання температурної стабільності та топлення металевої наночастинки Au@Pd

Abstract

У рамках методів молекулярної динаміки проведено моделювання температурної стабільності біметалевої наночастинки Au@Pd зі структурою типу «ядро–оболонка» та визначено температуру топлення досліджуваного зразка. Під час моделювання динамічної поведінки наночастинки розрахунок сил міжатомної взаємодії реалізовано методом зануреного атома. Моделювання процесу топлення характеризувалося поступовим підвищенням температури зразка шляхом перемасштабування відповідних швидкостей атомів за допомогою термостата Берендсена у діапазоні температур 300–2500 К. Як числовий параметр, що описував зміни у структурі наночастинки, використано показник Ліндемана. За результатами дослідження одержано температурні залежності показника Ліндемана та середньої потенціальної енергії, а також радіальні функції розподілу для наночастинки Au@Pd за різних значень температури. Залежності мали типовий вигляд: спочатку монотонно зростали у діапазоні температур 300 ≤ T ≤ 1500 К, а у разі досягнення значень температури, близьких до 1600 К, показник Ліндемана та потенціальна енергія починали стрімко збільшуватися, що можливо є ознакою початку процесу топлення. За результатами моделювання побудовано атомістичні конфігурації зразка та досліджено динаміку змін його структури. Одержано розподіл атомів по об’єму зразка відповідно до значення показника Ліндемана поблизу температури топлення. З конфігурацій зроблено висновок, що топлення наночастинки Au@Pd сферичної форми починалося на поверхні зразка, а також в ядрі, що складалося з атомів Ауруму. Проведені розрахунки дали можливість одержати значення температури, поблизу яких відбувалося руйнування кристалічної структури досліджуваної наночастинки.

В рамках методов молекулярной динамики проведено моделирование температурной стабильности биметаллической наночастицы Au@Pd со структурой типа «ядро–оболочка» и определена температура плавления исследуемого образца. При моделировании динамического поведения наночастицы расчёт сил межатомного взаимодействия реализован методом погружённого атома. Моделирование процесса плавления характеризовалось постепенным повышением температуры образца путём перемасштабирования соответствующих скоростей атомов с помощью термостата Берендсена в диапазоне температур 300–2500 К. В качестве числового параметра, описывающего изменения в структуре наночастицы, использован показатель Линдемана. По результатам исследования получены температурные зависимости показателя Линдемана и средней потенциальной энергии, а также радиальные функции распределения для наночастицы Au@Pd при различных значениях температуры. Зависимости имели характерный вид: сначала монотонно возрастали в диапазоне температур 300 ≤T≤ 1500 К, а в случае достижения значений температуры близких к 1600 К показатель Линдемана и потенциальная энергия начинали стремительно увеличиваться, что может быть признаком начала процесса плавления. По результатам моделирования построены атомистические конфигурации образца и исследована динамика изменений его структуры, получено распределение атомов по объёму образца в соответствии со значением показателя Линдемана вблизи температуры плавления. По конфигурациям сделан вывод, что плавление наночастицы Au@Pd сферической формы начиналось на поверхности образца, а также в ядре, состоящем из атомов золота. Проведённые расчёты позволили получить значения температуры, вблизи которых происходило разрушение кристаллической структуры исследуемой наночастицы.

Within the framework of the molecular dynamics methods the simulation of the temperature stability of the metallic Au@Pd nanoparticle with the core-shell structure is performed and the melting temperature of the sample is determined. During the simulation of the dynamic behaviour of nanoparticle the calculation of forces of interatomic interactions is carried out within the embedded atom method. To simulate the melting process, the temperature of the sample is gradually increased by scaling the corresponding atomic velocities using the Berendsen thermostat in the temperature range 300 K–2500 K. The Lindemann index is used as a numerical parameter described changes in the structure of the nanoparticle. According to the results of the study, the temperature dependence of the Lindemann index and the average potential energy are obtained, as well as the radial distribution functions for the Au@Pd nanoparticle at different temperature values. The obtained dependences have a typical form: they first increase monotonically at a temperature range 300 ≤ T ≤ 1500 K, and, when the temperature reaches about 1600 K, the Lindemann index and potential energy begin to increase rapidly, which may be considered as the beginning of the melting process. From the simulation results, atomistic configurations of the sample are built and the dynamics of changes in their structure is investigated. Spatial distribution of the atoms on Lindemann index within the volume of the sample around melting temperature is also calculated. As it is follows from the obtained data, the melting of Au@Pd nanoparticle with spherical shape begins on the surface of the sample, as well as in a core which consists of Au atoms. Calculated data allowed us to determine the temperature where destruction of the crystalline structure of the sample occurs.