«Исследование стабильности металлических нанокластеров и металлических гетероструктур на твердых поверхностях: атомистическое и термодинамическое моделирование» (итоговый)

Исследования в рамках данного проекта были непосредственно или косвенно связаны с проблемами стабильности и нестабильности однокомпонентных и бинарных металлических наночастиц (в том числе нанокластеров переходных металлов) с использованием комплексного подхода, основанного на применении термодинамического моделирования и двух альтернативных методов атомистического моделирования: молекулярной динамики и Монте-Карло. Начиная с первого этапа выполнения проекта, исследовались структурные превращения в наночастицах Au, Ag, Co, Cu и других металлов, включая структурные превращения, отвечающие процессам плавления и кристаллизации. Все эти процессы непосредственно связаны с проблемой структурной стабильности наночастиц. В частности, было установлено, что переход от мезоскопических наночастиц, содержащих от нескольких тысяч до нескольких сотен атомов, к нанокластерам существенно увеличивает как флуктуации их термодинамических характеристик, так и их структурную нестабильность. На этапах 2019 и 2020 гг., изучалась, прежде твсего, термическая стабильность наночастиц и, соответственно, нестабильность, обусловленная ростом температуры. В свою очередь, термическаую нестабильность можно подразделить на нестабильность структуры и полную потерю стабильности, т.е. распад частиц. С использованием термодинамического моделирования было также исследовано явление механической нестабильности, обусловленной спонтанными флуктуациями объема наночастиц. Особое внимание было уделено стабильности/нестабильности биметаллических структур типа «ядро-оболочка», которые имеют ряд перспектив применения, в том числе для создания наноразмерных катализаторов. В частности, были проведены сравнительные исследования степени стабильности альтернативных наноструктур Ni@Cu и Cu@Ni, Au@Co и Co@Au. Помимо свободных наночастиц, к объектам исследования относились также металлические частицы на твердых поверхностях, а также протяженные и островковые пленки. Применительно к островковым пленкам нестабильность проявлялась в виде геометрической нестабильности, т.е. нестабильности формы исходных неравновесных островков, а в случае протяженных пленок, наноразмерных по толщине, в молекулярно-динамических экспериментах наблюдалось явление десмачивания, т.е. образование дыр в исходных сплошных пленках. Основным предметом проведенных исследований являлась спонтанная стабильность/нестабильность отдельных наночастиц и наносистем «наночастица-твердая поверхность». Однако исследовалось также влияние некоторых внешних воздействий на степень стабильности однокомпонентных и бинарных наночастиц. В частности, исследовалось влияние атмосферы, представленной химически инертным газом, на степень стабильности металлических наночастиц. Применительно к бинарным наночастиц было осуществлено атомистическое моделирование избирательной коррозии в бинарных наночастицах, включая наночастицы Au-Ag с исходным однородным распределением компонентов. Избирательная коррозия отвечала удалению атомов менее благородного компонента (серебра). В результате формировались стабильные структуры Ag (ядро)@Au (оболочка) с оболочной из более благородного компонента, а при увеличении размера частиц проявлялась тенденция к формированию пористых структур, что согласуется с имеющимися экспериментальными данными. С имеющимися экспериментальными данными сравнивались все результаты проекта. Кроме того, для повышения достоверности результатов использовались два альтернативных метода атомистического моделирования (молекулярная динамика и Монте-Карло), различные многочастичные потенциалы межатомного взаимодействия, а также несколько альтернативных компьютерных программ, в том числе открытая и хорошо апробированная программа LAMMPS.