Atomistic simulation of thermally induced structural transformations in quaternary Cu–Au–Pt–Pd nanoalloys with different morphologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of molecular dynamics simulation of thermally induced structural transformations in four-component Cu–Au–Pt–Pd nanoalloys using the tight-binding potential are presented. The following initial configurations were chosen: a core–shell system in which the core corresponds to a multicomponent alloy with a uniform distribution of components (Cu200–Au600–Pt800)@Pd2400, an onion structure Cu200@Au600@Pt800@Pd2400, an alloy with a uniform distribution of components Cu200–Au600–Pt800–Pd2400, Janus structures with asymmetric Cu200/Au600/Pt800/Pd2400 and symmetric distributions of components (Cu100/Au300/Pt400/Pd2400/Pt400/Au300/Cu100 and Pd1200/Pt400/Au300/Cu200/Au300/Pt400/Pd1200). Based on the analysis of temperature dependences of the potential part of the internal energy, the temperatures corresponding to the onset of the melting-crystallization phase transition were found, and the value of temperature hysteresis was estimated. Regularities in the change of these quantities depending on the rate of thermal action were established. Regularities of structure formation were analyzed, the dominant role of the fcc local environment was established, cases of occurrence of other crystalline structures (hcp and bcc) were revealed. Regularities of chemical segregation are described, confirming the possibility of existence of various scenarios of segregation behavior of components. Based on the original technique, estimates of the specific surface energy for multicomponent metallic nanoparticles (final configurations after a cycle of thermal action, including the melting-crystallization phase transition) were carried out. The value of the specific surface energy correlates with the stability of the final configurations corresponding to different initial configurations.

About the authors

N. Y. Sdobnyakov

Tver State University

Email: nsdobnyakov@mail.ru
Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

V. M. Samsonov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

S. V. Serov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

N. I. Nepsha

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

D. N. Sokolov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

K. G. Savina

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

S. A. Veresov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

A. Y. Kolosov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

References

  1. Ferrando R., Jellinek J., Johnston R.L. Nanoalloys: from theory to applications of alloy clusters and nanoparticles // Chem. Rev. 2008. V. 108. № 3. P. 845–910. https://doi.org/10.1021/cr040090g
  2. Eom N., Messing M.E., Johansson J., Deppert K. General trends in core–shell preferences for bimetallic nanoparticles // ACS Nano. 2021. V. 15. № 5. P. 8883–8895. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01500
  3. Dahale C., Srinivasan S., Mishra S., Maitia S., Rai B. Surface segregation in AgAuCuPdPt high entropy alloy: insights from molecular simulations // Mol. Syst. Des. Eng. 2022. V. 7. № 8. P. 878–888. https://doi.org/10.1039/D2ME00045H
  4. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005.
  5. Савина К.Г., Веселов А.Д., Григорьев Р.Е., Вересов С.А., Ершов П.М., Зорин Д.Р., Сдобняков Н.Ю. Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti-V: размерный эффект и эффект изменения состава // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 532–542. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.532
  6. Романовский В.И., Колосов А.Ю., Хорт А.А., Мясниченко В.С., Подболотов К.Б., Савина К.Г., Соколов Д.Н., Романовская Е.В., Сдобняков Н.Ю. Особенности синтеза наночастиц Cu–Ni: эксперимент и компьютерное моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2020. Вып. 12. С. 293–309. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2020.12.293
  7. Romanovski V., Sdobnyakov N., Kolosov A., Savina K., Nepsha N., Moskovskikh D., Dobryden I., Zhang Z., Beletskii E., Romanovskaia E. Structure patterns of one-step synthesis of CuNi nanopowders in air environment: experiment and atomistic simulations // Nano-Struct. Nano-Objects. 2024. V. 40. P. 101377. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101377
  8. Sdobnyakov N., Khort A., Myasnichenko V., Podbolotov K., Romanovskaia E., Kolosov A., Sokolov D., Romanovski V. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles // Comput. Mater. Sci. 2020. V. 184. P. 109936. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109936
  9. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., Vasilyev S.A. Surface segregation in binary Cu–Ni and Au–Co nanoalloys and the core–shell structure stability/instability: thermodynamic and atomistic simulations // Applied Nanoscience. 2019. V. 9. № 1. P. 119–133. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0895-5
  10. Bogdanov S., Samsonov V., Sdobnyakov N., Myasnichenko V., Talyzin I., Savina K., Romanovski V., Kolosov A. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core–shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching // J. Mater. Sci. 2022. V. 57. № 28. P. 13467–13480. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07476-2
  11. Самсонов В.М., Васильев С.А., Талызин И.В., Небывалова К.К., Пуйтов В.В. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц // Журнал физической химии. 2023. Т. 97. № 8. С. 1167–1177. https://doi.org/10.31857/S004445372308023X
  12. Guisbiers G., Khanal S., Ruiz-Zepeda F., de la Puente J., José-Yacaman M. Cu–Ni nano-alloy: mixed, core–shell or Janus nano-particle? // Nanoscale. 2014. V. 6. № 24. P. 14630–14635. https://doi.org/10.1039/C4NR05739B
  13. Yin H.-J., Zhou J.-H., Zhang Y.-W. Shaping well-defined noble-metal-based nanostructures for fabricating high-performance electrocatalysts: advances and perspectives // Inorg. Chem. Front. 2019. V. 6. № 10. P. 2582–2618. https://doi.org/10.1039/C9QI00689C
  14. Lu X.-Z., Shao G.-F., Xu L.-Y., Liu T.-D., Wen Y.-H. Structural optimization and segregation behavior of quaternary alloy nanoparticles based on simulated annealing algorithm // Chinese Phys. B. 2016. V. 25. № 5. P. 053601. https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/5/053601
  15. Tang Z., Yeo B.C., Han S.S., Lee T.-J., Bhang S.H., Kim W.-S., Yu T. Facile aqueous-phase synthesis of Ag–Cu–Pt–Pd quadrometallic nanoparticles // Nano Converg. 2019. V. 6. P. 38. https://doi.org/10.1186/s40580-019-0208-z
  16. Вересов С.А., Савина К.Г., Веселов А.Д., Серов С.В., Колосов А.Ю., Мясниченко В.С., Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2022. Вып. 14. С. 371–382. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2022.14.371
  17. Колосов А.Ю., Савина К.Г., Вересов С.А., Серов С.В., Соколов Д.Н., Сдобняков Н.Ю. Сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах: атомистическое моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. С. 432–443. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.
  19. Колосов А.Ю., Вересов С.А., Серов С.В., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Григорьев Р.Е., Сдобняков Н.Ю. Размерный эффект в четырехкомпонентных наночастицах Au–Cu–Pd–Pt и их стабильность // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 361–372. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.361
  20. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin, A.Y., Vasiliev S.A., Alymov M.I. On the problem of stability/instability of bimetallic core–shell nanostructures: molecular dynamics and thermodynamic simulations // Comput. Mater. Sci. 2021. V. 199. P. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
  21. Bochicchio D., Ferrando R. Morphological instability of core–shell metallic nanoparticles // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 16. P. 165435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165435
  22. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Васильев С.А., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Веселов А.Д., Богданов С.С. О факторах стабильности/нестабильности биметаллических наноструктур ядро–оболочка // Известия РАН. Ceрия физическая. 2021. Т. 85. № 9. C. 1239–1244. https://doi.org/10.31857/S0367676521090246
  23. Sato K., Matsushima Y., Konno T.J. Surface-segre gation-induced phase separation in epitaxial Au/Co nanoparticles: formation and stability of core–shell structures // AIP Advances. 2017. V. 7. № 6. P. 065309. https://doi.org/10.1063/1.4986905
  24. Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Колосов А.Ю., Васильев С.А., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Веселов А.Д. К проблеме стабильности/нестабильности биметаллических структур Co (ядро)/Au (оболочка) и Au (ядро)/Co (оболочка): атомистическое моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 520–534. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.520
  25. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Богданов С.С., Талызин И.В., Васильев С.А., Савина К.Г., Пуйтов В.В., Базулев А.Н. К проблеме стабильности малых объектов на примере молекулярно-динамических моделей металлических наночастиц и наносистем // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. № 1. С. 118–129. https://doi.org/10.31857/S0023291224010114
  26. Ташлыкова-Бушкевич Ия.И., Столяр И.А. Нанорельеф поверхности тонких пленок сплавов Al–Mn и Al–Ni при ионно-ассистированном осаждении на стекло // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 3. С. 23–39. https://doi.org/10.31857/S1028096023030172
  27. Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. № 1. Р. 22–33. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.22
  28. Paz Borbón L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys. Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18012-5
  29. Leimkuhler B., Noorizadeh E., Theil F. A gentle stochastic thermostat for molecular dynamics // J. Stat. Phys. 2009. V. 135. № 2. P. 261–277. https://doi.org/10.1007/s10955-009-9734-0
  30. Ackland G.J., Jones A.P. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. № 5. P. 054101. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.054104
  31. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2010. V. 18. № 1. P. 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012
  32. Correia J.B., de Sá A.I. Simulation of surface segregation in nanoparticles of Pt-Pd alloys // Crystals 2025. V. 15. № 1. P. 53. https://doi.org/10.3390/cryst15010053
  33. Chmielewski A., Nelayah J., Amara H., Creuze J., Alloyeau D., Wang G., Ricolleau C. Direct measurement of the surface energy of bimetallic nanoparticles: evidence of Vegard’s rulelike dependence // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. № 2. P. 025901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.025901
  34. Edelsbrunner H., Mücke E.P. Three-dimensional alpha shapes // ACM Trans. Graph. 1994. V. 13. № 1. P. 43–72. https://doi.org/10.1145/174462.156635
  35. Taubin G. A signal processing approach to fair surface design // SIGGRAPH ‘95: Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques. 1995. P. 351–358. https://doi.org/10.1145/218380.218473
  36. Ali S., Myasnichenko V.S., Neyts E.C. Size-dependent strain and surface energies of gold nanoclusters // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. № 2. P. 792–800. https://doi.org/10.1039/C5CP06153A
  37. Andrievski R.A. Review of thermal stability of nanomaterials // J. Mater. Sci. 2014. V. 49. № 4. P. 1449–1460. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7836-1
  38. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
  39. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu. A Thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Central European Journal of Physics. 2003. V. 1. № 2. P. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  40. Sdobnyakov N.Yu., Myasnichenko V.S., Cheng-Hung San, Yu-Tsung Chiu, Ershov P.M., Ivanov V.A., Komarov P.V. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates // Mater. Chem. Phys. 2019. V. 238. Р. 121895. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121895
  41. Tiwari K., Devi M.M., Biswas K., Chattopadhyay K. Phase transformation behavior in nanoalloys // Prog. Mater. Sci. 2021. V. 121. P. 100794. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100794
  42. Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография. Тверь: Тверcкой государственный университет. 2018.
  43. Smirnov I., Kaszkur Z., Ferrando R. How to manipulate nanoparticle morphology with vacancies // Condensed Matter. Materials Science. arXiv:2409.01254. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.01254
  44. Alchagirov A.B., Alchagirov B.B., Taova T.M., Khokonov Kh.B. Surfaсе energy and surface tension of solid and liquid metals. Recommended Values // Transitions JWRI. 2001. V. 30. P. 287–291.
  45. Самсонов В.М., Чернышова А.А., Сдобняков Н.Ю. О размерной зависимости поверхностной энергии и поверхностного натяжения металлических наночастиц // Известия РАН. Серия Физическая. 2016. Т. 80. № 6. C. 768–771. https://doi.org/10.7868/S0367676516060296
  46. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu. A thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Cent. Eur. J. Phys. 2003. V. 1. № 2. P. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  47. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
  48. Богданов С.С., Мясниченко В.С., Колосов А.Ю., Соколов Д.Н., Акимова Ю.Н., Антонов А.С., Сдобняков Н.Ю. Особенности процесса кристаллизации в биметаллических наноструктурах под внешним давлением // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 422–430. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.422
  49. Zhao Y.-Y., Qian F., Shen W., Zhao C., Wang J., Xie C., Zhou F., Chang C., Li Y. Facile synthesis of metal and alloy nanoparticles by ultrasound-assisted dealloying of metallic glasses // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 82. P. 144–152. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.016

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».