On the problem of stability/instability in core-shell ternary Cu-Fe-Ni nanoparticles

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article is devoted to the study of stability of ternary Cu-Fe-Ni nanoparticles (consisting of 5400 atoms) with a core-shell structure and its relationship with the surface segregation. The main focus is on modeling their structural formation using the LAMMPS software. The authors test the hypothesis that stability of nanoparticles depends on the spontaneous segregation of one of the components to the surface. Three configurations with different atomic distributions (configuration Cu 45 Fe 45 Ni 10 with random distribution of atoms, as well as configurations - Cu 25 Fe 25@ Ni 50 and Fe 25 Ni 25 @Cu 50) are considered, and numerical modeling is performed for each of them using molecular dynamics methods and applying the tight-binding and embedded atom method potentials. The analysis showed that copper tends to segregate to the surface, while nickel concentrates in the core, significantly affecting mechanical properties of the nanoparticles. Patterns of the defect formation and their impact on the strength of nanostructures were identified. The article emphasizes that the correct choice of shell and core can both stabilize and destabilize the nanoparticles, providing prospects for the practical application of these materials.

About the authors

Nikita I. Nepsha

Tver State University

4th year postgraduate student, General Physics Department

Denis N. Sokolov

Tver State University

Ph. D., Researcher, General Physics Department

Andrei Yu. Kolosov

Tver State University

Ph. D., Researcher, General Physics Department

Kseniya G. Savina

Tver State University

2nd year postgraduate student, General Physics Department

Roman E. Grigoryev

Tver State University

3rd year postgraduate student, General Physics Department

Nickolay Yu. Sdobnyakov

Tver State University

Email: nsdobnyakov@mail.ru
Dr. Sc., Docent, General Physics Department

References

  1. Wang, H.-L. One-step synthesis of Cu@FeNi core-shell nanoparticles: Highly active catalyst for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane / H.-L. Wang, J.-M. Yan, Z.-L. Wang, Q. Jiang // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - V. 37. - I. 13. - P. 10229-10235. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.04.007.
  2. Asakura, H. Fe-modified CuNi alloy catalyst as a nonprecious metal catalyst for three-way catalysis / H. Asakura, M. Kirihara, K. Fujita et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2020. - V. 59. - I. 45 - P. 19907-19917. doi: 10.1021/acs.iecr.0c03389.
  3. Khalaf, M.M. A facile chemical synthesis of CuxNi(1-x)Fe2O4 nanoparticles as a nonprecious ferrite material for electrocatalytic oxidation of acetaldehyde / M.M. Khalaf, H.M. Abd el-Lateef, A.O. Alnajjar, I.M.A. Mohamed // Scientific Reports. - 2020. - V. 10. - Art. № 2761 - 14 p. doi: 10.1038/s41598-020-59655-3.
  4. Khlebnikova, Yu. V. Creation of a sharp cube texture in ribbon substrates of Cu-40% Ni-M (M = Fe, Cr, V) ternary alloys for high-temperature second generation superconductors / Yu.V. Khlebnikova, D.P. Rodionov, I.V. Gervas'eva et al. // The Physics of Metals and Metallography. - 2016. - V. 117. - I. 11 - P. 1129-1137. doi: 10.1134/S0031918X16110077.
  5. Fang, F. Bonding of silicon nitride ceramics using Fe-Ni/Cu/Ni/Cu/Fe-Ni interlayers / F. Fang, C. Zheng, H.Q. Lou, R. Sui // Materials Letters. - 2001. - V. 47. - I. 3. - P. 178-181. doi: 10.1016/S0167-577X(00)00232-9.
  6. Goupil, G. Anodic behavior of mechanically alloyed Cu-Ni-Fe and Cu-Ni-Fe-O electrodes for aluminum electrolysis in low-temperature KF-AlF3 electrolyte / G. Goupil, S. Helle, B. Davis et al. // Electrochimica Acta. - 2013. - V. 112. - P. 176-182. doi: 10.1016/j.electacta.2013.08.157.
  7. Arslan, H. Determination of surface tension of liquid ternary Ni-Cu-Fe and sub-binary alloys / H. Arslan, A. Dogan // Philosophical Magazine. - 2019. - V. 99. - I. 10 - P. 1206-1224. doi: 10.1080/14786435.2019.1576937.
  8. Brillo, J. Density and surface tension of liquid ternary Ni-Cu-Fe alloys /j. Brillo, I. Egry, T. Matsushita // International Journal of Thermophysics. - 2006. - V. 27. - I. 6. - P. 1778-1791. doi: 10.1007/s10765-006-0121-7.
  9. Sarac, U. Differences observed in the surface morphology and microstructure of Ni-Fe-Cu ternary thin films electrochemically deposited at low and high applied current densities / U. Sarac, M. Kaya, M. C. Baykul // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - V. 766. - Art. № 012025. - 6 p. doi: 10.1088/1742-6596/766/1/012025.
  10. Zhu, L.-S. Influence of Ni on Cu precipitation in Fe-Cu-Ni ternary alloy by an atomic study / L.-S. Zhu, S.-J. Zhao // Chinese Physics B. - 2014. - V. 23. - № 6 - Art. № 063601. - 6 p. doi: 10.1088/1674-1056/23/6/063601.
  11. Wang, Y. Precipitation kinetics in binary Fe-Cu and ternary Fe-Cu-Ni alloys via kMC method / Y. Wang, J. Yin, X. Liu et al. // Progress in Natural Science: Materials International. - 2017. - V. 27. - I. 4. - P. 460-466. doi: 10.1016/j.pnsc.2017.06.005.
  12. You, L.-J. Influence of Cu precipitation on tensile properties of Fe-Cu-Ni ternary alloy at different temperatures by molecular dynamics simulation / L.-J. You, L.-J. Hu, Y.-P. Xie, S.-J. Zhao // Computational Materials Science. - 2016. - V. 118. - P. 236-244. doi: 10.1016/j.commatsci.2016.03.018.
  13. Liu, K. Effect of Ni and vacancy concentration on initial formation of Cu precipitate in Fe-Cu-Ni ternary alloys by molecular dynamics simulation / K. Liu, L.-J. Hu, Q.-F. Zhang et al. // Chinese Physics B. - 2017. - V. 26. - № 8. - Art. № 083601. - 7 p. doi: 10.1088/1674-1056/26/8/083601.
  14. Samsonov, V.M. On the problem of stability/instability of bimetallic core-shell nanostructures: molecular dynamics and thermodynamic simulations / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, A.Yu. Kartoshkin, S.A. Vasilyev et al. // Computational Materials Science. - 2021. - V. 199. - Art. №110710. - 11 p. doi: 10.1016/j.commatsci.2021.110710.
  15. Atomsk. - Режим доступа: www.url: https://atomsk.univ-lille.fr. - 01.09.2024.
  16. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. - Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. - 02.09.2024.
  17. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. - 1993. - V. 48. - I. 1. - Р. 22-33. doi: 10.1103/PhysRevB.48.22.
  18. Bonny. G. Ternary Fe-Cu-Ni many-body potential to model reactor pressure vessel steels: First validation by simulated thermal annealing. / G. Bonny, R.C. Pasianot, N. Castin, L. Malerba // Philosophical Magazine. -2009. - V. 89. - I. 34-36. - P. 3531-3546. doi: 10.1080/14786430903299824.
  19. Verlet, L.Computer "experiments" on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules / L. Verlet // Physical Review. - 1967. - V. 159. - I. 1. - P. 98-103. doi: 10.1103/PhysRev.159.98.
  20. Nosé, S.A. Molecular dynamics method for simulations in the canonical ensemble / S.A. Nosé // Molecular Physics. - 1984. - V. 52. - I. 2. - Р. 255-268. doi: 10.1080/00268978400101201.
  21. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO - the open visualization tool / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. - 2010. - V. 18. - I. 1. - P. 015012-1-015012-7. doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  22. OVITO Open Visualization Tool. - Режим доступа: www.url: http://www.ovito.org. - 25.08.2024.
  23. Larsen, P.M. Robust structural identification via polyhedral template matching / P.M. Larsen, S. Schmidt, J. Schiøtz // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. - 2016. - V. 24. - № 5. - Art. № 055007. 18 p. doi: 10.1088/0965-0393/24/5/055007.
  24. Свидетельство № 2019661915 Российская Федерация. Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, П.М. Ершов, С.С. Богданов; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО "Тверской государственный университет". - № 2019660847; заявл. 30.08.2019; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.09.2019. - 1 с.
  25. Khort, A. Solution combustion synthesis of single-phase bimetallic nanomaterials / A. Khort, S. Roslyakov, P. Loginov // Nano-Structures & Nano-Objects. - 2021. - V. 26. - Art. № 100727. - 5 p. doi: 10.1016/j.nanoso.2021.100727.
  26. Celino, M. Role of defective icosahedra in undercooled copper / M. Celino, V. Rosato, A. Di Cicco // Physical Review B. - 2007. - V. 75. - I. 17. - P. 174210-1-174210-5. doi: 10.1103/PhysRevB.75.174210.
  27. Самсонов, В.М. Поверхностное плавление в наночастицах и наносистемах. 2. Научные и нанотехнологические аспекты роли поверхностного плавления в наночастицах и наносистемах / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, В.В. Пуйтов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 571-588. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.571.
  28. Hu, B. Pseudo-Janus Zn/Al-based nanocomposites for Cr(VI) sorption/remediation and evolved photocatalytic functionality / B. Hu, W. Liu, W. Gao et al. // Chemical Engineering Journal. - 2015. - V. 277. - P. 150-158. doi: 10.1016/j.cej.2015.04.104.
  29. Непша, Н.И. Сценарии структурообразования в тернарных наночастицах на основе Pd-Pt при наличии допанта Ni / Н.И. Непша, Д.Н. Соколов, Е.С. Митинев, А.А. Тактаров, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 507-519. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.507.
  30. Sdobnyakov, N.Yu. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates / N.Yu. Sdobnyakov, V.S. Myasnichenko, C.-H. San et al. // Materials Chemistry and Physics. - 2019. - V. 238. - Art. № 121895. - 9 p. doi: 10.1016/j.matchemphys.2019.121895.
  31. Sdobnyakov, N.Yu. Effect of cooling rate on structural transformations in Ti-Al-V nanoalloy: molecular dynamics study / N.Yu. Sdobnyakov, V.M. Samsonov, V.S. Myasnichenko et al. // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - V. 2052. - Art. № 012038. - 4 p. doi: 10.1088/1742-6596/2052/1/012038.
  32. Вересов, С.А. 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. - Вып. 14. - С. 371-382. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.371.
  33. Сдобняков, Н.Ю. Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 589-601. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».