SEVERAL NOTES ON THE ELASTIC PROPERTIES OF MESOPOROUS MATERIALS

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this paper, the dependence of the Young’s elastic modulus of a mesoporous material on the geometric characteristics (volume and shape) of pores has been analyzed. The geometric characteristics of pores have been determined in the framework of the fractal-geometry approach by the values of their effective diameter and fractal dimension. The presented estimates demonstrate that the effect (being characteristic of nanoscale particles), which consists a significant dependence of elastic moduli on the size and shape of a particle, can also be realized in mesoporous materials (the pore size being form 5 up to 50 nm) while the mesoporous samples themselves can be of macroscopic dimensions. Using the example of mesoporous silver, it has been shown that reducing the pore size and «complicating» the pore shape lead to a significant decrease in the Young’s elastic modulus. The results have been obtained in the framework of the cohesive energy-based model.

About the authors

Alexander V. Shishulin

Pleiades Publ. Ltd

Email: chichouline_alex@live.RUS
Moscow, Russia

Anna V. Shishulina

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Nizhny Novgorod, Russia

References

  1. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. - М: Академия,2005. - 192 с.
  2. Самсонов, В.М. Комплексный подход к атомистическому моделированию размерных зависимостей температуры и теплоты плавления наночастиц кобальта: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, И.В. Талызин и др. // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2019. - № 12. - С. 31-35. doi: 10.1134/S1028096019120264.
  3. Essajai, R. Shape-dependent structural and magnetic properties of Fe nanoparticles studied through simulation methods / R. Essajai, Y. Benhouria, A. Rachadi et al. // RSC Advances. - 2019. - V. 9. - I. 8.- P. 22057-22063. doi: 10.1039/C9RA03047F.
  4. Guisbiers, G. Size-dependent material properties towards a universal equation / G. Guisbiers // Nanoscale Research Letters. - 2010. - V. 5. - P. 1132-1136 doi: 10.1007/s11671-010-9614-1.
  5. Goyal, M. Shape, size and phonon scattering effect on the thermal conductivity of nanostructures / M. Goyal // Pramana: Journal of Physics. - 2018. - V. 91. - I. 6. - Art. № 87. - 5 p. doi: 10.1007/s12043-018-1660-8.
  6. Shishulin, A.V. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2022. - V. 19.- I. 3(41). - P. 10-17. doi: 10.31489/2022No3/10-17.
  7. Сдобняков, Н. Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование / Н. Ю. Сдобняков, Д. Н. Соколов. - Тверь: Тверской государственный университет, 2018. - 176 с. - ISBN 978-5-7609-1323-4. - EDN FMUOHU.
  8. Магомедов, М.Н. Изменение термодинамических свойств при изохорическом и изобарическом уменьшении нанокристалла кремния / М.Н. Магомедов // Физика твердого тела. - 2019. - Т. 61. - Вып. 4. - С. 757-764. doi: 10.21883/FTT.2019.04.47426.267.
  9. Goyal, M. Study of shape, size and temperature-dependent elastic properties of nanomaterials / M. Goyal, B.R.K. Gupta // Modern Physics Letters B. - 2019. - V. 33. - I. 26. - Art. №1950310. - 12 p.doi: 10.1142/S021798491950310X.
  10. Rawat, K. Young's modulus and vibrational frequency dependence on shape and size in nanomaterials / K. Rawat, M. Goyal // Materials Today: Proceedings. - 2021. - V. 42. - I. 4. - P. 1633-1637.doi: 10.1016/j.matpr.2020.07.188.
  11. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах / С. А. Вересов, К. Г. Савина, А. Д. Веселов [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - № 14. - С. 371-382. - doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.371. - EDN ZOZOZF.
  12. Шишулин, А. В. Некоторые особенности высокотемпературных фазовых равновесий в наночастицах системы SiX - Ge1-X / А. В. Шишулин, А. В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2019. - № 11. - С. 268-276. - doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.268. - EDN IXTTSY.
  13. Shishulin, A.V. The initial composition as an additional parameter determining the melting behaviour of nanoparticles (a case study on Six-Ge1-x alloys) / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2021. - V. 18. - I. 4(38). - P. 5-13. doi: 10.31489/2021No4/5-13.
  14. Шишулин, А. В. Равновесный фазовый состав и взаимная растворимость компонентов в наночастицах фрактальной формы тяжелого псевдосплава W-Cr / А. В. Шишулин, А. В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2019. - № 11. - С. 380-388. - doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.380. - EDN DGJHTM.
  15. Geoffrion, L.-D. Chemical ordering in Bi1-x-Sbx nanostructures: alloy, janus or core-shell? / L.-D. Geoffrion, G. Guisbiers // Journal of Physical Chemistry C. - 2020. - V. 124. - I. 25. - P. 14061-14068. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c04356.
  16. Shishulin, A.V. On some peculiarities of stratification of liquid solutions within pores of fractal shape / A.V. Shishulin, V.B. Fedoseev // ournal of Molecular Liquids. - 2019. - V. 278. - P. 363-367.doi: 10.1016/j.molliq.2019.01.050.
  17. Shishulin, A.V. One more parameter determining the stratification of solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, A.V. Shishulina // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2022. - V. 95. - I. 6.- P. 1374-1382. doi: 10.1007/s10891-022-02606-8.
  18. Шишулин, А.В. Фононная теплопроводность и фазовые равновесия в наночастицах системы Bi-Sb фрактальной формы / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Журнал технической физики.- 2019. - Т. 89. - Вып. 4. - С. 556-561. doi: 10.21883/JTF.2019.04.47311.343-18.
  19. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: nanoscale effects on phase equilibria, thermal conductivity, thermoelectric performance / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Springer Proceedings in Complexity; ed. by C.H. Skiadas, Y. Dimotikalis. - Cham: Springer, 2022. - P. 421-432. doi: 10.1007/978-3-030-96964-6_30.
  20. Шишулин, А.В. Изменение температуры Кюри в пористом материале / А.В. Шишулин,В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Письма в журнал технической физики. - 2020. - Т. 46. - Вып. 14.- С. 6-8. doi: 10.21883/PJTF.2020.14.49657.18281.
  21. Shishulin, A.V. On the transition between ferromagnetic and paramagnetic states in mesoporous materials with fractal morphology / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2021. - V. 18. - I. 2 (36). - P. 6-11. doi: 10.31489/2021NO2/6-11.
  22. Сдобняков, Н. Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н. Ю. Сдобняков, А. С. Антонов, Д. В. Иванов. - Тверь: Тверской государственный университет, 2019. - 168 с. - ISBN 978-5-7609-1441-5. - EDN YPGZBS.
  23. К проблеме автоматизации процесса определения фрактальной размерности / В. А. Анофриев, А. В. Низенко, Д. В. Иванов [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - № 14. - С. 264-276. - doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.264. - EDN SDRGEQ.
  24. Aqra, F. Surface free energy of alkali and transition metal nanoparticles / F. Aqra, A. Ayyad // Applied Surface Science. - 2014. - V. 324. - P. 308-313. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.07.004.
  25. Attarian Shandiz, M. Effective coordination number model for the size dependency of physical properties of nanocrystals / M. Attarian Shandiz // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2008. - V. 20. - № 32.- Art № 325237. - 9 p. doi: 10.1088/0953-8984/20/32/325237.
  26. Гаев, Д.С. Кинетика образования трещин в пористом кремнии / Д.С. Гаев, С.Ш. Рехвиашвили // Физика и техника полупроводников. - 2012. - Т. 46. - Вып. 2. - C. 145-149.
  27. Błaszczyński, T. Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method / T. Błaszczyński, A. Ślosarczyk, M. Morawski // Procedia Engineering - 2013. - V. 57. - P. 200-206. doi: 10.1016/j.proeng.2013.04.028.
  28. Chae, H.K. A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals / H.K. Chae, D.Y. Siberio-Pérez, J. Kim et al. // Nature. - 2004. - V. 427. - P. 523-527. doi: 10.1038/nature02311.
  29. Магомедов, М.Н. Размерная зависимость упругих свойств нанокристалла аргона / М.Н. Магомедов // Физика твердого тела. - 2019. - Т. 61. - Вып. 1. - С. 148-153. doi: 10.21883/FTT.2019.01.46905.175.
  30. Bhatt, J.C. Effect of size on the elastic and thermodynamic properties of nanomaterials / J.C. Bhatt,K. Kholiya // Indian Journal of Pure & Applied Physics. - 2014. - V. 52. - P. 604-608.
  31. Chuvil'deev, V.N. Spark plasma sintering for high-speed diffusion bonding of the ultrafine-grained near-α Ti-5Al-2V alloy with high strength and corrosion resistance for nuclear engineering / V.N. Chuvil'deev,A.V. Nokhrin, V.I. Kopylov et al. // Journal of Materials Science. - 2019. - V. 54. - I. 24. - P. 14926-14949.doi: 10.1007/s10853-019-03926-6.
  32. Федосеев, В.Б. Влияние температуры и давления на фрактальную размерность дефектов кристаллической структуры / В.Б. Федосеев // Бутлеровские сообщения. - 2010. - Т. 23. - Вып. 14.- С. 36-42.
  33. Федосеев, В.Б. Использование фрактальной геометрии при термодинамическом описании трехмерных элементов кристаллической структуры / В.Б. Федосеев // Письма о материалах. - 2012.- Т. 2. - Вып. 2. - С. 78-83.
  34. Федосеев, В.Б. О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин // Журнал технической физики. - 2021. - Т. 91. - Вып. 1. - С. 39-45. doi: 10.21883/JTF.2021.01.50270.159-20.
  35. Федосеев, В.Б. Поправка к статье "О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы" / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин // Журнал технической физики. - 2022. - Т. 92. - Вып. 4. - С. 643-644. doi: 10.21883/JTF.2022.04.52255.pravka.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).