>>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Экспериментальные исследования наночастиц и наносистем, включая протекающие в них структурные превращения, индуцированные изменением температуры, как правило затруднительны и дорогостоящи, а прогностические возможности теоретических подходов к их изучению также являются ограниченными.

Всё это делает актуальным применение методов атомистического моделирования, прежде всего, - молекулярно-динамического (МД) моделирования для исследования структурных превращений в наночастицах, включая структурные превращения, интерпретируемые как плавление и кристаллизация. С фундаментальной точки зрения, актуальность исследований по теме диссертации определяется тем, что интерпретация структурных превращений в наночастицах как фазовых переходов требует дополнительного обоснования и уточнения границ применимости понятий и концепций классической термодинамики к наносистемам. В частности, не выяснены в полной мере закономерности и механизмы гистерезиса плавления-кристаллизации, хотя вполне понятно, что само наличие такого гистерезиса свидетельствует о неравновесном характере соответствующих процессов. Остаётся открытым и вопрос о том, в какой степени гистерезис плавления-кристаллизации может быть уменьшен или полностью устранён. С прикладной точки зрения, знание закономерностей плавления и кристаллизации наночастиц, включая их кинетические аспекты, необходимо для разработки научно обоснованных подходов нанотехнологии, связанных с получением и применением наночастиц, наноструктур и наноструктурированных материалов.

Степень разработанности темы диссертации. Размерная зависимость температуры плавления наночастиц различных металлов исследовалась ранее с использованием атомистического моделирования. Вместе с тем, размерная зависимость температуры кристаллизации, механизмы плавления и кристаллизации наночастиц, а также кинетические аспекты указанных фазовых переходов исследованы в гораздо меньшей степени.

Объекты и предметы исследования. В качестве основного объекта исследования выступали мезоскопические металлические наночастицы, прежде всего - наночастицы переходных металлов: Ni, Co, Cu, Au, Ag. Кроме того, моделировались наночастицы Al и Pb. Выбор объектов исследования обусловливается как перспективами их практического применения, так и наличием надёжных параметризаций двух альтернативных типов многочастичных потенциалов: потенциала сильной связи (ПСС) и потенциалов, отвечающих методу погружённого атома (МПА). Под мезоскопическими мы понимаем наночастицы, содержащие от 500 до нескольких сотен тысяч атомов. В отличие от малых металлических нанокластеров, содержащих до 100 атомов, применение к мезоскопическим наночастицам методов ab initio является затруднительным. В качестве дополнительных объектов исследования, выбранных для выяснения степени влияния природы химической связи на плавление и кристаллизацию наночастиц, выступали молекулярные (леннард- джонсовские) наночастицы и наночастицы Si как пример ковалентной системы.
Для демонстрации влияния размерной зависимости температуры плавления однокомпонентных наночастиц на процессы в бинарных наночастицах и модельных наносистемах в качестве объектов исследования выступали также: 1) системы из двух наночастиц, для которых характерны явления коалесценции (для нанокапель) и спекания (для твёрдых наночастиц); 2) бинарные наночастицы, в которых наблюдаются явления сегрегации и разрушения биметаллических структур “ядро-оболочка”; 3) системы “наночастица-твёрдая плоская поверхность”, в которых наблюдаются явления смачивания, в том числе - смачивания в твёрдом состоянии; 4) нанорельеф металлической поверхности. Вместе с тем, наносистемы не являлись основными объектами исследования в данной работе, и соответствующие результаты следует рассматривать как иллюстрации роли размерной зависимости температуры плавления.

Основным предметом исследования являлись размерные зависимости термодинамических характеристик наночастиц, включая кинетические аспекты этих зависимостей. Прежде всего, имеются в виду размерные зависимости температур плавления и кристаллизации, энтальпий плавления и кристаллизации, энтальпий испарения и сублимации. Основное внимание уделено выяснению влияния скорости изменения температуры на размерные зависимости указанных выше термодинамических характеристик наночастиц.

Цель работы: выяснение кинетических закономерностей плавления и кристаллизации наночастиц, разработка и реализация термодинамического и кинетического подходов к нахождению температуры плавления и других термодинамических характеристик наночастиц в МД экспериментах.

Для достижения поставленной цели ставились следующие основные задачи исследования:

1. МД исследование размерных зависимостей температур плавления и

кристаллизации, а также энтальпий фазовых переходов 1 рода в наночастицах с использованием двух альтернативных вариантов термодинамического похода: в условиях гистерезиса плавления-

кристаллизации (динамический вариант) и путём релаксации наночастиц при фиксированных температурах (квазистатический вариант);

2. Выяснение влияния скоростей нагрева и охлаждения на гистерезис плавления и кристаллизации, включая их влияние на температуры плавления и кристаллизации, регистрируемые в МД экспериментах;

3. МД исследование поведения теплоёмкости наночастиц в окрестности температуры плавления;

4. Разработка и реализация кинетического подхода к нахождению температуры плавления наночастиц по температурной зависимости коэффициента самодиффузии;

5. Выяснение степени влияния природы химической связи в наночастицах на размерную зависимость температуры плавления;

6. МД исследование влияния температуры плавления и её размерной зависимости на явления в наночастицах и наносистемах, включая сегрегационные явления в бинарных наночастицах, коалесценцию нанокапель и спекание твёрдых наночастиц, смачивание на наномасштабах и деградацию нанорельефа твёрдой поверхности.

Научная новизна работы. В результате проведённых исследований были получены следующие новые результаты:

1. Впервые помимо температуры плавления Тт и температуры кристаллизации Тс, которые регистрируются в условиях гистерезиса плавления-кристаллизации, т.е. являются заведомо неравновесными, найдены и проанализированы размерные зависимости равновесной температуры плавления Tm^le q\ которая находилась путём релаксации наночастиц при фиксированных температурах. В результате проведённого сравнительного исследования размерных зависимостей Тт, Тс и Tm^e qдля наночастиц Cu, Au, Ag, Ni, Co и Pb показано, чтоТ

| >>
Источник: Талызин Игорь Владимирович. МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И КИНЕТИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ПЛАВЛЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь - 2019. 2019

Еще по теме ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

  1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  5. Общая характеристика работы
  6. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  7. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  8. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  9. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  10. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ