Моделювання адсорбції металевих наночастинок на поверхні двовимірних наноматеріалів

Мета роботи – розробка теоретичних та чисельних алгоритмів для моделювання процесу росту срібних наночастинок на поверхні двовимірного карбіду титану Ti2C. Метод дослідження – методи класичної молекулярної динаміки з використанням моделі зануреного атома, парного та трьох- частинних потенціалів, методи статистичної фізики та обчислювальної математики, тощо

Побудова кривих навантаження Tin+1Cn та металевих наноструктур при різних видах деформації

Мета роботи – розробка теоретичних та чисельних моделей для опису поведінки двовимірних наноматеріалів та металевих наноструктур під дією зовнішнього впливу та під час деформації. Метод дослідження – методи класичної молекулярної динаміки з використанням моделі зануреного атома та трьох- частинних потенціалів, методи теорії пружності та статистичної фізики, методи обчислювальної математики тощо

Пружні властивості Au, Ag і біметалевих Au@Ag нанодротів з моделювання методами молекулярної динаміки

Наведено результати моделювання механічних властивостей нанодротів золота, срібла та біметалевого Au@Ag зі структурою ядро-оболонка. Досліджено динамічну поведінку зразків під час деформації розтягування в рамках класичної молекулярної динаміки. Взаємодії між атомами в зразках описані за допомогою методу зануреного атому (EAM) та моделі сплаву EAM для взаємодії золото-срібло в структурі ядро-оболонка Au@Ag. Для вивчення механічних властивостей нанодротів до зразків була застосована процедура деформації розтягування. Розтягування зразків реалізувалося шляхом зміщення нерухомих атомів, розташованих у двох зовнішніх атомних шарах на протилежних бічних поверхнях зразків один від одного за постійної швидкості деформації 0.004 пс–1. Температуру зразків підтримували на рівні 300 K упродовж усього часу моделювання, використовуючи термостат Берендсена. У процесі деформації для кожного зразка були розраховані механічні напруження в рамках теореми віріалу та побудовані криві навантажень. Одержані криві навантажень мають типову форму з лінійною ділянкою на початку і подальшою нелінійною частиною, що відповідає пластичній деформації. Модулі Юнга досліджуваних зразків оцінювались шляхом лінійної регресії пружної частини кривих деформаційних напружень. Одержані значення дорівнюють 57.3 ГПа, 80.1 ГПа, 70.9 ГПа для зразків Au@Ag, Au і Ag відповідно. Аналіз знімків атомістичних конфігурацій показує, що розглянуті зразки характеризувалися різним характером розриву.We report the computational study of mechanical properties of gold, silver and core-shell Au@Ag nanorods. The dynamical behavior of the samples under tensile deformation was studied within classical molecular dynamics simulation. Interactions between atoms in the samples were described within embedded atom method (EAM) and EAM alloy model for gold – silver interaction in core-shell Au@Ag nanorod. To study the mechanical properties of the nanorods, the tensile deformation procedure was applied to the samples. Stretching of the samples was simulated by displacement of the fixed atoms located in the two external atomic layers at the opposite edges of the samples from each other at constant strain rate of 0.004 ps–1. Temperature of the samples was maintained at 300 K using the Berendsen thermostat through the total simulation time. During the deformation process, mechanical stresses were calculated according to virial theorem for each sample and strain-stress curves were built from obtained data. Obtained strainstress curves have typical shape with a linear section at the beginning and a further nonlinear part corresponding to plastic deformation. Young moduli of the studied samples were estimated through linear regression of the elastic part of the strain-stress curves. The obtained values are equal to 57.3 GPa, 80.1 GPa and 70.9 GPa for Au@Ag, Au and Ag samples, respectively. Analysis of the snapshots of atomistic configurations shows that considered samples are characterized by different failure dynamics, namely necking was observed only for Au@Ag core-shell nanorod, while pristine gold and silver samples are characterized by failure without clearly visible necking. Comparative analysis of the obtained results shows a good agreement with the similar data available in the literature

Моделирование температурной стабильности и плавления металлической наночастицы Au@Pd

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