Several notes on the melting behavior of mesoporous materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this paper, the melting temperature dependence on geometric characteristics (volume and shape) of pores distributed in the mesoporous material has been analyzed. The pore geometry has been determined in the framework of the fractal-geometry approach using the values of their effective diameter and fractal dimension. The obtained results demonstrate that the well-known effect (being characteristic of nanoscale particles), which consists in a significant dependence of the melting temperature on the size and shape of a particle, can also be realized in mesoporous materials (the pore size being from 5 up to 50 nm) while the mesoporous materials themselves can be of macroscopic dimensions. Using the example of mesoporous lead, it has been shown the reducing the pore size and «complicating» the pore shape result in a significant decrease in the melting temperature of a material. The results have been obtained using the cohesive energy-based model, being verified experimentally for lead nanoparticles.

About the authors

Alexander V. Shishulin

Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Pleiades Publ. Ltd

Email: chichouline_alex@live.ru
Ph. D., Senior Lecturer, Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Technical Editor, Pleiades Publ. Ltd.

Anna V. Shishulina

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Ph. D., Associate Professor

Alexey V. Kuptsov

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

1st year graduate student

References

  1. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. - М: Академия, 2005. - 192 с.
  2. Гладких, Н.Т. Поверхностные явления и фазовые превращения в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, С.В. Дукаров, А.П. Крышталь и др. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2004. - 276 с.
  3. Samsonov, V.M. Melting temperature and binding energy of metal nanoparticles: size dependences, interrelation between them, and some correlations with structural stability of nanoclusters / V.M. Samsonov, S.A. Vasilyev, K.K. Nebyvalova et al. // Journal of Nanoparticle Research. - 2020. - V. 22. - Art. № 247. - 15 p. doi: 10.1007/s11051-020-04923-6.
  4. Rawat, K. Theoretical analysis of thermophysical properties of nanomaterials / K. Rawat, M. Goyal // Materials Today: Proceedings. - 2021. - V. 43. - Part 2. - P. 1210-1214. doi: 10.1016/j.matpr.2020.08.754.
  5. Sachin Dimensional effect on cohesive energy, melting temperature and Debye temperature of metallic nanoparticles / Sachin, B.K. Pandey, R.L. Jaiswal // Physica B: Condensed Matter. - 2023. - V. 651. - Art. № 414602. - 8 p. doi: 10.1016/j.physb.2022.414602.
  6. Mendoza-Pérez, R. Phase diagrams of refractory bimetallic nanoalloys / R. Mendoza-Pérez, S. Muhl // Journal of Nanoparticle Research. - 2020. - V. 22. - Art. № 306. - 15 p. doi: 10.1007/s11051-020-05035-x.
  7. Shirinyan, A. Melting loops in the phase diagram of individual nanoscale alloy particles: completely miscible Cu-Ni alloys as a model system / A. Shirinyan, G. Wilde, Y. Bilogorodskyy // Journal of Materials Science. - 2020. - V. 55. - I. 27. - P. 12385-12402. doi: 10.1007/s10853-020-04812-2.
  8. Талызин, И.В. О фазовой диаграмме наносплава Au-Si: молекулярно-динамическое и термодинамическое моделирование / И.В. Талызин, А.Ю. Картошкин, С.А. Васильев, М.В. Самсонов, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 364-373. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.364.
  9. 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, наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 268-276. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.268.
  10. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на переход жидкость-твердое тело в наночастицах сплава Cr-W / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев // Неорганические материалы. - 2019. - Т. 55. - №1. - С. 16-20. doi: 10.1134/S0002337X19010135.
  11. 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.
  12. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на фазовые равновесия при твердофазном расслаивании в наночастицах бинарных сплавов (на примере системы W-Cr) / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 299-307. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.299.
  13. Шишулин, А.В. О влиянии внешней среды на фазовые равновесия в системе малого объема на примере распада твердого раствора Bi-Sb / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Бутлеровские сообщения. - 2017. - Т. 51. - Вып. 7. - С. 31-37.
  14. 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, наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 589-601. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
  15. Богданов, С.С. Закономерности структурообразования в бинарных наночастицах ГЦК-металлов при термическом воздействии: атомистическое моделирование / С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков. - Тверь: Тверской государственный университет, 2023. - 144 с. doi: 10.26456/bs.2023.144.
  16. Самсонов, В.М. Флуктуационный подход к проблеме применимости термодинамики к наночастицам / В.М. Самсонов, Д.Э. Деменков, В.И. Карачаров, А.Г. Бембель // Известия РАН. Серия физическая. - 2011. - Т. 75. - Вып. 8. - С. 1133-1137.
  17. Анофриев, В.А. Паттерн формирования фрактального рельефа для наноразмерных пленок молибдена / В.А. Анофриев, А.С. Антонов, Д.В. Иванов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 17-31. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.017.
  18. Шишулин, А.В. К вопросу о плавлении наночастиц фрактальной формы (на примере системы Si-Ge) / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Журнал технической физики. - 2019. - Т. 89. - Вып. 9. - С. 1420-1426. doi: 10.21883/JTF.2019.09.48069.88-19.
  19. 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.
  20. 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, наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 380-388. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.380.
  21. 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.
  22. Шишулин, А.В. К вопросу об упругих характеристиках мезопористых материалов / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 308-316. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.308.
  23. Qi, W.H. Size and shape dependent melting temperature of metallic nanoparticles / W.H. Qi, M.P. Wang // Materials Chemistry and Physics. - 2004. - V. 88. - I. 2-3. - P. 281-284. doi: 10.1016/j.matchemphys.2004.04.026.
  24. Qi, W.H. Modeling cohesive energy and melting temperature of nanocrystals / W.H. Qi, M.P. Wang, M. Zhou, X.Q. Chen, X.F. Zhang // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 2006. - V. 67. - I. 4. - P. 851-855. doi: 10.1016/j.jpcs.2005.12.003.
  25. 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.
  26. 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.
  27. Attarian Shandiz, M. Effective coordination number model for the size dependency of physical properties of nanocrystals / M. AttarianShandiz // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2008. - V. 20. - Art. №325237. - 9 p. doi: 10.1088/0953-8984/20/32/325237.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. Магомедов, М.Н. О вычислении размерных зависимостей фазового перехода кристалл - жидкость / М.Н. Магомедов // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84. - Вып. 5. - С. 232-244.
  32. N'Diaye, M. Biomaterials porosity determined by fractal dimensions, succolarity and lacunarity of microcomputed tomographic images / M. N'Diaye, C. Degeratu, J.-M. Bouler, D. Chappard // Materials Science and Engineering: C. - 2013. - V. 33. - I. 4. - P. 2025-2030. doi: 10.1016/j.msec.2013.01.020.
  33. Ivanov, D.V. Determination of the fractal size of titanium films at different scales / D.V. Ivanov, A.S. Antonov, E.M. Semenova et al. // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - V. 1758. - Art. № 012013. - 6 p. doi: 10.1088/1742-6596/1758/1/012013.
  34. 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.
  35. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: morphology-dependent phase equilibria in tungsten heavy pseudo-alloys // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2023. - V. 20. - I. 4(46). - P. 125-132. doi: 10.31489/2023no4/125-132.
  36. Guisbiers, G. Size-dependent material properties towards a universal equation / G. Guisbiers // Nanoscale Research Letters. - 2010. - V. 5. - Art. № 1132. - 5 p. doi: 10.1007/s11671-010-9614-1.
  37. 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.

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».