НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК


НОВОСИБИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ISSN (печатн.): 1814-1196          ISSN (онлайн): 2658-3275
English | Русский

Последний выпуск
№3(72) Июль - Сентябрь 2018

Температурный гистерезис при плавлении и кристал-лизации нанообъектов

Выпуск № 1 (54) Январь - Март 2014
Авторы:

Борыняк Леонид Александрович,
Чернышев Альфред Петрович
Аннотация
Работа посвящена использованию метода среднего поля для прогнозирования физических свойств нанообъектов. Показано, что физические свойства объектов с характерным размером меньше 10 нм являются немонотонными функциями обратной величины характерного размера. Эта закономерность открывает дополнительные возможности для создания новых промышленных наноматериалов с уникальными физическими свойствами. Настоящая статья также посвящена теоретическому описанию физических свойств нанообъектов с характерными размерами близкими к критическому значению.  При критическом характерном размере нанообъекта энтропия и энтальпия плавления равны нулю. Показано, что в нанодиапазоне характерных размеров классическая теория зарождения и роста частиц новой фазы не применима. Впервые теоретически доказано, что ширина температурного гистерезиса уменьшается при уменьшении характерного размера нанообъектов. В результате температурный гистерезис исчезает при характерных размерах нанообъектов в несколько нанометров. Установлено, что кристаллизация нанообъектов происходит при температуре, соответствующей абсолютно неустойчивому состоянию нанообъекта в жидкой фазе. Адекватность полученных результатов подтверждена сравнением с доступными литературными данными. Проведена оценка критического характерного размера и критической температуры. Рассмотрено влияние плавления поверхности нанообъекта на его физические свойства.
Ключевые слова: наночастицы, параметр порядка, явление перегрева, явление переохлаждения, плавление поверхности, критический характерный размер, фазовый переход, температура плавления, теория среднего поля Ландау, температурный гистерезис.

Список литературы
[1] Chernyshev A.P. The thermodynamic properties of nanoparticles with the characteristic sizes less than 10 nm /A.P. Chernyshev // Phys. Lett. A. – 2010. – Vol. 374. – P. 4622–4624. [2] Grassian V.H. When Size Really Matters: Size-dependent properties and surface chemistry of metal and metal oxide nanoparticles in gas and liquid phase environments / V.H. Grassian // J. Phys. Chem. C. – 2008. – Vol. 112. – P. 1830–8313. [3] Yoffe A.D. Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems / A.D. Yoffe // Adv. Phys. – 2002. – Vol. 51. – P. 799–890. [4] Kofman R. Surface melting enhanced by curvature effects / R. Kofman, P. Cheyssac, A. Aouaj, Y. Lereah, G. Deutscher, T. Ben-David, J. M. Penisson, A. Bourret // Surf. Sci. 1994. – Vol. 303. – P. 23–246. [5] Van der Veen J.F. Melting and freezing at surfaces / J.F. van der Veen // Surf. Sci. 1999. – Vol. 433–435. – P. 1–11. [6] Mei Q.S. Melting and superheating of crystalline solids: from bulk to nanocrystals / Q.S. Mei, K. Lu // Progr. Mater. Sci. – 2007. – Vol. 52. – P. 1175–1262. [7] Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей / Я.И. Френкель. – Л.: Наука, 1975. – 592 с. [8] Dash J.G. History of the search for continuous melting / J.G. Dash // Rev. Mod. Phys. – 1999. – Vol. 71. – P. 1737–1743. [9] Luo S.-N. Maximum superheating and undercooling: systematics, molecular dynamics simulations, and dynamic experiments / S.-N. Luo, T.J. Ahrens, T. Çağın, A. Strachan, W.A. Goddard III, D.C. Swift // Phys. Rev. B. – 2003. – Vol. 68. – P. 134206. [10] Jiang Q. Nucleation temperature of elements / Q. Jiang, X.H. Zhou, M. Zhao // J. Chem. Phys. – 2002. – Vol. 117. – P. 10269–10273. [11] Lai S.L. Size-dependent melting properties of small tin particles: Nanocalorimetric measurements / S.L. Lai, J.Y. Guo, V. Petrova, G. Ramanath, L.H. Allen // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Vol. 77. – P. 99–102. [12] Гафнер С.Л. Моделирование процессов структурообразования нанокластеров меди в рамках потенциала сильной связи / С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Ю.Я. Гафнер // ЖЭТФ. – 2008. – Т. 135. – С. 899–916. [13] Chernyshev A.P. Melting of surface layers of nanoparticles: Landau model / A.P. Chernyshev // Mater. Chem. Phys. – 2008. – Vol. 112. – P. 226–229. [14] Jiang Q. Free energy of crystal-liquid interface / Q. Jiang, H.X. Shi, M. Zhao // Acta Mater. – 1999. – Vol. 47. – P. 2109–2112. [15] Cooper S.J. A simple classical model for predicting onset crystallization temperatures on curved substrates and its implications for phase transitions in confined volumes / S.J. Cooper, C.E. Nicholson, J. Liu // J. Chem. Phys. – 2008. – Vol. 129. – P. 124715. [16] Nanda K.K. Higher surface energy of free nanoparticles / K.K. Nanda, A. Maisels, F.E. Kruis, H. Fissan, S. Stappert // Phys. Rev. Lett. – 2003. – Vol. 91. – P. 106102. [17] Nanda K.K. Bulk cohesive energy and surface tension from the size-dependent evaporation study of nanoparticles / K.K. Nanda // Appl. Phys. Lett. – 2005. – Vol. 87. – P. 021909. [18] Kofman R. Melting of clusters approaching 0D / R. Kofman, P. Cheyssac, Y. Lereah, A. Stella // Eur. Phys. J. D. – 1999. – Vol. 9. – P. 441–444. [19] Boettinger W.J. Phase-field simulation of solidification / W.J. Boettinger, J.A.Warren, C. Beckermann, A. Karma // Annu. Rev. Mater. Res. – 2002. – Vol. 32. – P. 163–194. [20] Harrowell P.R. On the interaction between order and a moving interface: dynamical disordering and anisotropic growth rates / P.R. Harrowell, D.W. Oxtoby // J. Chem. Phys. – 1987. – Vol. 86. – P. 2932–2942. [21] Khachaturyan AG. Long-range order parameter in field model of solidification / AG. Khachaturyan // Phil. Mag. A. – 1996. – Vol. 74. – P. 3–14. [22] Hoshino K. A simple model for the melting of fine particles / K. Hoshino, S. Shimamura // Phil. Mag. A. – 1979. – Vol. 40. – P. 137–141. [23] Shi F.G. Size dependent thermal vibrations and melting in nanocrystals / F.G. Shi // J. Mater. Res. – 1994. – Vol. 9. – P. 1307–1313. [24] Luo S.-N. On asymmetry between superheating and supercooling in solid-liquid transitions: Landau models / S.-N. Luo, D.C. Swift // J. Chem. Phys. – 2004. – Vol. 121. – P. 7387–7389. [25] Chernyshev A.P. The dependence of surface tension of solid nanoscale films on their thickness / A.P. Chernyshev // Physica B. – 2011. – Vol. 406. – P. 4124–4128. [26] Qi Y. Melting and crystallization in Ni nanoclusters: The mesoscale regime / Y. Qi, T. Çağın, W.L. Johnson, W.A. Goddard III // J. Chem. Phys. – 2001. – Vol. 115. – P. 385–394.  
Просмотров: 882