МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ КЛАСТЕРОВ НИКЕЛЯ И МЕДИ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ: ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ И РАЗМЕРА
Гафнер С.Л., Редель Л.В., Гафнер Ю.Я.

Поступила в редакцию: 8 Апреля 2011

DJVU (1224.4K)

PDF (16.7M)

Методом молекулярной динамики с использованием модифицированного потенциала сильной связи исследована теплоемкость идеальных ГЦК-кластеров Cu и Ni с диаметром от 2 до 6 нм в температурном интервале 200-800 К. Проведенный анализ показал соответствие с экспериментальными результатами при температурах 200-300 К. Полученные данные также свидетельствуют о ряде закономерностей, находящихся в согласии с аналитическими расчетами. По результатам компьютерного моделирования был сделан вывод, что в случае единичных свободных кластеров теплоемкость может превышать теплоемкость объемного материала, причем данное различие уменьшается с ростом наночастицы пропорционально сокращению доли поверхностных атомов. Было отмечено, что при T=200 К превышение теплоемкости идеального нанокластера меди с D=6 нм составило 10 %, а никеля 13 %. Следовательно, отмеченные в некоторых реальных экспериментах большие величины теплоемкости наноструктур меди и никеля не могут быть связаны с характеристиками свободных кластеров. Было высказано предположение, что такие свойства наноматериала зависят от степени агломерации составляющих его частиц, т. е. сильное воздействие могут оказывать поверхности и межфазные границы соединенных между собой нанокластеров. Для проверки выдвинутой гипотезы были взяты кластеры никеля и меди различного размера (4000-7200 атомов), полученные при моделировании процесса конденсации из газовой фазы. В случае высоких температур не удалось адекватно оценить роль межфазных границ при расчете теплоемкости наночастиц. Причиной явилась массовая диффузия атомов Ni или Cu с целью придания синтезированным кластерам энергетически более выгодной формы и структуры. При низких температурах теплоемкость таких кластеров превысила теплоемкость кластеров с идеальной формой и структурой на величину от 3.2 % до 10.6 %. Был сделан вывод, что производимые в реальных экспериментах кластеры Ni и Cu из-за неидеальности своей внешней формы и внутреннего строения не могут быть применены в устройствах, использующих тепловую энергию таких кластеров, без предварительного этапа оптимизации.