Nanothermodynamics on the Example of Metallic Nanoparticles

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

After analyzing the problem of extending the Gibbs surface excess method to nanoscale objects, two different approaches to the application of the Gibbs method for finding the specific surface energy of metal nanoparticles are being considered. The first approach involves the use of the local coordination approximation to estimate the specific surface energy of icosahedral FCC metal nanoparticles (magic nanoclusters). For the first time, we have drawn attention to the fact that for such a nanocluster, it is possible to accurately calculate both the fraction of surface atoms and the values of the first coordination number in the inner region of the nanoparticle and on its surface (faces, edges, and vertices). The second approach implemented by us earlier for spherical Au nanoparticles and here for FCC Pt nanoparticles, involves the complex application of the Gibbs method adapted for nanoparticles and the results of molecular dynamics simulation. Estimates using both approaches agree with the experimental values of the surface energy corresponding to the flat surface of the bulk phases of the corresponding metals. In the final section of the work, the limits of applicability of thermodynamics to nanosystems are discussed.

About the authors

V. M. Samsonov

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
170002, Tver, Russia

S. A. Vasilev

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
170002, Tver, Russia

I. V. Talyzin

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
170002, Tver, Russia

K. K. Nebyvalova

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
170002, Tver, Russia

V. V. Puitov

Tver State University

Author for correspondence.
Email: samsonoff@inbox.ru
170002, Tver, Russia

References

  1. Русанов А.И. // Рос. хим. журн. 2006. Т. L. № 2. С. 145.
  2. Русанов А.И. // Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. № 10. С. 1736.
  3. Русанов А.И. // Тезисы 2 Межд. сов. “Нуклеация и нелинейные проблемы в фазовых переходах I рода”. СПб., 2002. С. 13.
  4. Hill T. // Nano Letters. 2001. V. 1. № 3. P. 111.
  5. Chamberlin R.V. // Nature. 2000. V. 408. P. 337.
  6. Hill T. Thermodynamics of Small Systems. New York: W.A. Benjamin Inc., 1963, 1964. 416 p.
  7. Chamberlin R.V. // Entropy. 2015. V. 17. P. 52. https://doi.org/10.3390/e17010052
  8. Русанов А.И. Термодинамика поверхностных явлений. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1960. 180 с.
  9. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. Л.: Химия, 1967. 388 с.
  10. Русанов А.И. Лекции по термодинамике поверхностей СПб.−М.−Краснодар: Лань, 2013. 237 с.
  11. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. 291 с.
  12. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М.: Мир, 1986.
  13. Гиббс Дж. В. Термодинамика и статистическая механика. М.: Наука, 1982. https://doi.org/10.1017/CBO9780511686948
  14. Broendersz Ch.P., Roncenray P. // Nature. 2022. V. 604. P. 46. https://doi.org/10.1038/d41586-022-00869-y
  15. Jazynski C. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. № 14. P. 2690. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690
  16. Sanders-Gutierrez O.A., Luna-Valenzuela A., Posada-Borbón A. et al. // Comp. Mat. Sci. 2022. V. 21. P. 110908. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110908
  17. Sdobnyakov N.Yu., Veselov A.D., Ershov P.M. et al. // Comp. Mat. Sci. 2018. V. 153. P. 153. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.06.037
  18. Delogu F. // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. I. 46. P. 21938. https://doi.org/10.1021/jp0554902
  19. Lai S.L., Guo J.Y., Petrova V. et al. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. I. 1. P. 99. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.99
  20. Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. М.: Техносфера, 2010. 352 с.
  21. Samsonov V.M., Vasilyev S.A., Nebyvalova K.K. et al. // J. Nanopart. Res. 2020. V. 22. I. 6. Art. № 247. https://doi.org/10.1007/s11051-020-04923-6
  22. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Puytov V.V. et al. // J. Chem. Phys. 2022. V. 156. I. 21. Art. № 214302. https://doi.org/10.1063/5.0075748
  23. Tolman R.C. // J. Chem. Phys. 1949. V. 17. P. 333. https://doi.org/10.1063/1.1747247
  24. Быков Т.В., Щекин А.К. // Неорганические материалы. 1999. Т. 35. № 6. С. 759.
  25. Самсонов В.М., Чернышова А.А. // Колл. ж., 2016. Т. 78. № 3. С. 365. https://doi.org/10.7868/S0023291216030149
  26. Miguel R., Rubí J.M. // J. Chem. Phys. 2021. V. 155. I. 22. Art. № 221101. https://doi.org/10.1063/5.0072533
  27. Щербаков Л.М. Оценка избыточной свободной энергии малых объектов // Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1964. С. 17.
  28. Самсонов В.М. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 11. С. 2063.
  29. Бойнович Л.Б. // Успехи химии. 2007. Т. 76. № 5. С. 510. https://doi.org/10.1070/RC2007v076n05ABEH003692
  30. Быков Т.В., Щекин А.К. // Коллоидн. журн. 1999. Т. 61. № 2. С. 164.
  31. Samsonov V.M., Bazulev A.N., Sdobnyakov N.Yu. // Cent. Eur. J. Phys. 2003. V. 1. № 3. P. 474. https://doi.org/10.2478/BF02475858
  32. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
  33. Шебзухова М.А., Шебзухов З.А., Шебзухов А.А. // ФТТ. 2012. Т. 54. № 1. С. 173. https://doi.org/10.1134/S1063783412010295
  34. Шебзухов З.А., Шебзухова М.А., Шебзухов А.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. № 7. С. 983. https://doi.org/10.3103/S1062873809070211
  35. Магомедов М.Н. // ФТТ. 2021. Т. 63. № 9. С. 1415.
  36. Магомедов М.Н. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020. № 11. С. 88. https://doi.org/10.31857/S1028096020110102
  37. Гуггенгейм E.A. Современная термодинамика, изложенная по методу У. Гиббса. Л.-М.: Госхимиздат, 1941. 188 с.
  38. Samsonov V.M., Bembel A.G., Kartoshkin A.Y. et al. // J. Therm. Anal. Calorim. 2018. V. 133. I. 2. P. 1207. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7245-4
  39. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., Vasilyev S.A. // Appl. Nanosci. 2019. V. 9. I. 1. P. 119. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0895-5
  40. Самсонов В.М., Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Самсонов М.В. // ФММ. 2019. Т. 120. № 6. С. 630. https://doi.org/10.1134/S0015323019060111
  41. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu. et al. // Comp. Mat. Sci. 2021. V. 199. art.no. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
  42. Kaptay G. // J. Mater. Sci. 2016. V. 51. P. 1738. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9533-8
  43. Foster D.M., Pavloudis Th., Kioseoglou J., Palmer R.E. // Nat. Commun. 2018. V. 9. I. 1. P. 2583. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10713-z
  44. Zeni C. // Nat. Commun. 2021. V. 12. P. 6056. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26199-7
  45. Foster D.M., Ferrando R., Palmer R.E. // Nat. Commun. 2018. V. 9. I. 1. P. 1323. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03794-9
  46. Nelli D., Rossi G., Wang Z. et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. I. 14. P. 7688. https://doi.org/10.1039/C9NR10163B
  47. Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018. 403 с. Tovbin Yu.K. Small Systems and Fundamentals of Thermodynamics. Boca Raton, 2018. 436 p. https://doi.org/10.1201/9780429503931
  48. Tovbin Y.K. // Russ. J. Phys. Chem. 2021. V. 95. P. 637. https://doi.org/10.1134/S0036024421020266
  49. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. Москва−Ижевск. 2001. 160 с. https://doi.org/10.1149/1.2425756
  50. де Гроот С.Р., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М: Мир, 1964. 456 с. (De Groot S.R., Mazur P. Non-Equilibrium Thermodynamics. Dover Publications, 2013. 510 p.)
  51. Chini P. // Gazzetta Chimica Italiana. 1979. V. 109. P. 225.
  52. Adams J.B., Foiles S.M., Wolfer W.G. // J. Mater. Res. 1989. V. 4. I. 1. P. 102. https://doi.org/10.1557/JMR.1989.0102
  53. Викарчук А.А., Воленко А.П. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 2. С. 339. https://doi.org/10.1134/1.1866418
  54. Гафнер С.Л., Редель Л.В., Головенько Ж.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 89. № 7. С. 425. https://doi.org/10.1134/S0021364009070121
  55. Reinhard D., Hall B.D., Berthoud P. et al. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. I. 8. P. 1459. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.79.1459
  56. Baletto F., Motter C., Ferrando R. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. I. 24. P. 5544. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5544
  57. Полухин В.А., Ватолин Н.А. Моделирование разупорядоченных и наноструктурированных фаз. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2011. 463 с.
  58. Кузьмин В.И., Тытик Д.Л., Белащенко Д.К., Сиренко А.Н. // Коллоидн. журн. 2008. Т. 70. № 3. С. 316. https://doi.org/10.1134/S1061933X08030058
  59. Кузьмин В.И., Гадзаов А.Ф., Тытик Д.Л. и др. // Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5. № 11–12. С. 92. https://doi.org/10.1134/S199507801011008X
  60. Qi W.H., Wang M.P. // Mater. Chem. Phys. 2004. V. 88. I. 2–3. P. 280. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2004.04.026
  61. Kumar R., Kumar M. // Indian J. Pure Appl. Phys. 2012. V. 50. I. 5. P. 329.
  62. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Книга по требованию, 2012.
  63. Alchagirov A.B., Alchagirov B.B., Taova T.M., Khokonov Kh.B. // Transactions of JWRI (Joining and Welding Research Institute). 2001. V. 30. Special Issue. P. 287
  64. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press, 2017. 626 p.
  65. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
  66. Пуйтов В.В., Романов А.А., Талызин И.В., Самсонов В.М. // Изв. Академии наук. Сер. химическая. 2022. № 4. С. 686. https://doi.org/10.1007/s11172-022-3466-6
  67. Samsonov V.M., Romanov A.A., Kartoshkin A.Yu. et al. // Appl. Phys. A. 2022. V. 128. P. 826. https://doi.org/10.1007/s00339-022-05922-1
  68. Витоль Э.Н. // Коллоидн. журн. 1992. Т. 54. № 3. С. 21.
  69. Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Базулев А.Н., Новожилова Д.А. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2017. Т. 81. № 3. С. 409. https://doi.org/10.7868/S0367676517030310
  70. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Samsonov M.V. // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1658. Art. № 012046. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1658/1/012046
  71. Häkkinen H., Moseler M., Landman U. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. I. 3. Art. № 033401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.033401
  72. Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Васильев С.А. и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 364. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.364

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (596KB)
Indexing metadata
3.

Download (39KB)
Indexing metadata
4.

Download (61KB)
Indexing metadata
5.

Download (476KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, К.К. Небывалова, В.В. Пуйтов