Structural transformations in binary Ti-V nanoparticles: size effect and effect of composition change

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The processes of the structure formation in Ti-V binary nanoparticles and the factors influencing the crystallization process are discussed. The objects of study were Ti-V binary nanoparticles containing N=200, 400, 800, 1520, 3000, and 5000 atoms with various compositions. The computer experiment was conducted using the molecular dynamics method. Interatomic interactions were described using the tight-binding potential. Based on a series of computer experiments, it was determined that the crystallization process of Ti-V binary nanoparticles is significantly dependent on both their size and component ratio. As the size of the nanoparticles increases, the crystallization temperature rises, and the component ratio has a substantial influence on the formation of crystalline phases. The lowest crystallization temperatures were observed at titanium-to-vanadium ratios of 25-75% and 50-50%. Larger nanoparticles also exhibit pronounced phase segregation, with FCC and HCP phases dominating depending on the titanium-to-vanadium ratio. The observed tendency to form a multilayered onion-like structure indicates a more complex structure formation process than surface segregation.

About the authors

Kseniya G. Savina

Tver State University

2nd year postgraduate student, General Physics Department

Alexei D. Veselov

Tver State University

Researcher, General Physics Department

Roman E. Grigoryev

Tver State University

3rd year postgraduate student, General Physics Department

Sergei A. Veresov

Tver State University

3rd year postgraduate student, General Physics Department

Pavel M. Ershov

Tver State University

Researcher, General Physics Department

Danila R. Zorin

Tver State University

1st year graduate student, General Physics Department

Nickolay Yu. Sdobnyakov

Tver State University

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

References

  1. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи между размерными зависимостями температур плавления и кристаллизации для металлических наночастиц / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, А.Н. Базулев и др. // Расплавы. - 2012. - №5. - С. 88-94.
  2. Murray, J.L. The Ti-V (titanium-vanadium) system /j.L. Murray // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. - 1981. - V. 2. - I. 1.- P. 48-55. doi: 10.1007/BF02873703.
  3. Самсонов, В.М. Сравнительный анализ размерной зависимости температур плавления и кристаллизации наночастиц серебра: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, В.С. Мясниченко и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2018. - № 12. - С. 65-69. doi: 10.1134/S0207352818120168.
  4. Мясниченко, В.С. Закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах с разной температурой кристаллизации / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - С. 568-579. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.568.
  5. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах. Сдобняков, В.С. Мясниченко и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные. Монография / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, С.С. Богданов. - Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2021. - 168 с. doi: 10.26456/skb.2021.168.
  6. Богданов, С.С. Закономерности структурообразования в бинарных наночастицах ГЦК металлов при термическом воздействии: атомистическое моделирование. Монография / С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков. - Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2023. - 143 с.
  7. Мясниченко, В.С. Зависимость температуры стеклования биметаллических кластеров на основе титана от скорости охлаждения / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, Д.Н. Соколов и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2020. - T. 17. - № 3. - С. 355-362. doi: 10.25712/ASTU.1811-1416.2020.03.012.
  8. Myasnichenko, V.S. Simulation of crystalline phase formation in titanium-based bimetallic clusters / V.S. Myasnichenko, N.Yu. Sdobnyakov, P.M. Ershov et al. // Journal of Nano Research. - 2020. - V. 61. - P. 32-41. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/JNanoR.61.32' target='_blank'>www.scientific.net/JNanoR.61.32.
  9. Савина, К.Г. Проблема получения кристаллических фаз в процессе охлаждения бинарных наночастиц Au-Co и Ti-V / К.Г. Савина, Р.Е. Григорьев, А.Д. Веселов, С.С. Богданов, П.М. Ершов, С.А. Вересов, Д.Р. Зорин, В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 543-553. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.543.
  10. Мясниченко, В.С. Размерный эффект и структурные превращения в тернарных наночастицах Tix-Al96-x-V / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, С.А. Вересов, А.Н. Базулев, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 495-506. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.495.
  11. 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.
  12. Chen, T. Promoting the low temperature activity of Ti-V-O catalysts by premixed flame synthesis / T. Chen, H. Lin, B. Guan et. al. // Chemical Engineering Journal. - 2016. - V. 296. - P. 45-55. doi: 10.1016/j.cej.2015.08.115.
  13. Wan, C. Synchrotron EXAFS and XRD studies of Ti-V-Cr hydrogen absorbing alloy / C. Wan, X. Ju, Y. Qi et. al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2010. - V. 35. - I. 7. - P. 2915-2920. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.034.
  14. Liu, T. Enhanced hydrogen storage properties of Mg-Ti-V nanocomposite at moderate temperatures / T. Liu, C. Chen, H. Wang et. al. // The Journal of Physical Chemistry C. - 2014. - V. 118. - I. 39. - P. 22419-22425. doi: 10.1021/jp5061073.
  15. Yang, X. A novel and high-strength Ti-Al-V-Fe alloy prepared by spark plasma sintering / X. Yang, Z. Zhang, B. Wang et al. // Powder Metallurgy. - 2021. - V. 64. - I. 5. - P. 387-395. doi: 10.1080/00325899.2021.1915609.
  16. Li, Y. Thermal stability and in vitro bioactivity of Ti-Al-V-O nanostructures fabricated on Ti6Al4V alloy / Y. Li, D. Ding, C. Ning et. al. // Nanotechnology. - 2009. - V. 20. - I. 6. - Art. № 065708. - 6 p. doi: 10.1088/0957-4484/20/6/065708.
  17. Salek, G. Polyol synthesis of Ti-V2O5 nanoparticles and their use as electrochromic films / G. Salek, B. Bellanger, I. Mjejri et al. // Inorganic Chemistry. - 2016. - V. 55. - I. 19. - P. 9838-9847. doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b01662.
  18. Abdul, J.M. Microstructure and hydrogen storage characteristics of rhodium substituted Ti-V-Cr alloys /j.M. Abdul, S.K. Kolawole, G.A. Salawu // JOM. - 2021. - V. 73. - I. 12. - P. 4112-4118. doi: 10.1007/s11837-021-04952-z.
  19. Suwarno, S. Selective hydrogen absorption from gaseous mixtures by BCC Ti-V alloys / S. Suwarno, Y. Gosselin, J.K. Solberg et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - V. 37. - I. 5. - P. 4127-4138. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.11.100.
  20. Züttel, A. Fuels - hydrogen storage | Hydrides / A. Züttel // In book: Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. - Amsterdam: Elsevier, 2009. - P. 440-458. doi: 10.1016/B978-044452745-5.00325-7.
  21. 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.
  22. Leimkuhler, B. A Gentle stochastic thermostat for molecular dynamics / B. Leimkuhler, E. Noorizadeh, F. Theil // The Journal of Statistical Physics. - 2009. - V. 135. - P. 261-277. doi: 10.1007/s10955-009-9734-0.
  23. Samoletov, A.A. Thermostats for "slow" configurational modes / A.A. Samoletov, C.P. Dettmann, M.A.J. Chaplain // The Journal of Statistical Physics. - 2007. - V. 128. - P. 1321-1336. doi: 10.1007/s10955-007-9365-2.
  24. 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.
  25. Paz Borbón, L.O.Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. - 155 p. doi: 10.1007/978-3-642-18012-5.
  26. 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.
  27. 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.

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».