Закономерности и механизмы поверхностного и контактного плавления в металлических наносистемах: молекулярно-динамическое моделирование

Проект посвящен молекулярно-динамическому (МД) исследованию закономерностей и механизмов поверхностного плавления (ПП) в монометаллических наночастицах Au, Ag, Cu и Ni с последующим переходом к изучению контактного плавления (КП) в биметаллических наносистемах Ag-Cu и Ni-Cu. Тема проекта актуальна как с научной, так и с прикладной точек зрения, поскольку предсказание структурных превращений в наночастицах и наносистемах является фундаментальной проблемой, имеющей непосредственное отношение к решению ряда прикладных задач, связанных с разработкой наноматериалов, нанокатализаторов нового поколения, биомедицинской оптики, химических сенсоров и электронных устройств. Научный аспект актуальности обуславливается тем, что закономерности ПП в металлических наносистемах изучены явно недостаточно, а закономерности и механизмы КП остаются в значительной степени не ясными даже применительно к макросистемам. Вместе с тем, ПП и КП являются важными элементарными составляющими ряда нанотехнологических процессов, включая пайку наноразмерных элементов, диффузионную сварку на наномасштабах, порошковую металлургию, аддитивные технологии В свою очередь, эти технологии связаны с коалесценцией и спеканием. С использованием метода погруженного атома будет осуществлено МД моделирование плавления монометаллических наночастиц Au, Ag, Cu и Ni с последующим изучением структурных трансформаций как в их центральных областях, так и в поверхностных слоях. С этой целью будет использован метод анализа соседей (common neighbor analysis), анализ локальных функций радиального распределения атомов (в центральной области наночастицы и ее поверхностном слое), а также оценка степени подвижности поверхностных атомов (коэффициента самодиффузии). Для сравнения будет осуществлено МД моделирование плавления наночастиц Si, рассматриваемых как паттерн наночастиц с другим типом химической связи. Объекты исследования будут содержать от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч атомов (размер от 1 до 20 нм). После исследования закономерностей и механизмов ПП, будет осуществлено МД моделирование КП в зоне контакта между двумя нанокристаллами (системы Ag-Cu и Cu-Ni) сферической и кубической формы размером от 2 до 20 нм (в последнем случае будет воспроизведен контакт гранями (100) и (111). Планируется проанализировать следующие характеристики: размерную зависимость температуры КП, кинетические зависимости для потенциальной (когезионной) части внутренней энергии системы, распределения локальных плотностей (концентраций) компонентов в зоне контакта, функций радиального распределения атомов компонентов. Для осуществления МД моделирования будет использована известная открытая программа LAMMPS, позволяющая проводить высокопроизводительные параллельные вычисления на графических процессорах, что позволит существенно расширить как диапазон размеров моделируемых объектов (до нескольких сотен тысяч атомов), так и характерное время наблюдаемой МД эволюции (до 100 нс и более).