مدل سازی ترمودینامیکی رفتار ذوب نانو ذرات فلزی جاسازی شده در فاز زمینه

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مواد و پلیمر، دانشکده فنی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران. ‏

2 استادیار، گروه مهندسی مواد و پلیمر دانشگاه حکیم سبزواری

10.22034/frj.2021.256081.1132

چکیده

دمای ذوب یکی از مهمترین ویژگی‌های وابسته به اندازه در نانوذرات است. مطالعه تجربی دمای ذوب نانو ذرات بسیار پیچیده ‏است از این رو مدل‌های ریاضی مختلفی جهت پیش‌بینی دمای ذوب نانو ذرات آزاد و نانو ذرات جاسازی شده در فاز زمینه ارائه ‏شده است. با این حال اغلب این مدل‌ها صرفا بر مبنای خصوصیات فاز جامد ارائه شده‌اند و ویژگی‌های فاز مایع را در نظر نمیگیرند. ‏این امر موجب ‌می‌شود که نتایج حاصل از این مدل‌ها عمدتا با خطای زیادی همراه باشد. لذا ارائه مدل‌های جدید که دقت محاسباتی ‏بالاتری داشته باشند، امری ضروری است. در تحقیق حاضر، بر اساس محاسبه انرژی آزاد گیبس فاز جامد و مایع، مدلی ترمودینامیکی ‏جهت محاسبه دمای ذوب نانو ذرات جاسازی شده در فاز زمینه ارائه شده است‎.‎‏ مدل ارائه شده جهت محاسبه دمای ذوب در سه ‏سیستم متفاوت شامل نانو ذرات نقره در زمینه نیکل و نانوذرات سرب در زمینه مس و روی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد ‏که در سیستم‌های مورد مطالعه کاهش اندازه ذرات موجب افزایش دمای ذوب نانوذرات خواهد شد. مقایسه نتایج حاصل از مدل با ‏داده‌های تجربی و همچنین نتایج حاصل از مدل‌های موجود، دقت بالاتر مدل ارائه شده در مقایسه با سایر مدل‌ها را تایید ‌می‌کند. ‏علاوه بر اندازه، اثر شکل نانو ذرات بر دمای ذوب آنها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که تغییر دمای ذوب با تغییر شکل ‏نانو ذرات تنها در نانوذرات کوچک‌تر از ۱۰ نانومتر مشهود است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Kaur A., Gupta U., A review on applications of nanoparticles for the preconcentration of environmental pollutants, Journal of Materials Chemistry, 2009, 19, 8279–8289.
[2] Ealia S., Saravavakumar M., A review on the classification, characterisation, synthesis of nanoparticles and their application, IOP Conferance Series: Materials Science and Engineering, 2017, 263, 032019.
[3] Jiang H., Umegaki T., Akita T., Zhang X., Bimetallic Au – Ni nanoparticles embedded in SiO2 nanospheres: Synergetic catalysis in hydrolytic dehydrogenation of Ammonia Borane, Chemical European Journal, 2010, 16, 3132–3137.
[4] Shin S., Guzman J., et al., Embedded binary eutectic alloy nanostructures: A new class of phase change materials, Nanoletters, 2010, 10, 2794–2798.
[5] Liu Y., Sun X., et al., Preparation of nanoparticles embedded microcapsules (NEMs) and their application in drug release, Materials Letter, 2012, 75, 48–50.
[6] Yang C., Mai Y., Thermodynamics at the nano scale: A new approach to the investigation of unique physicochemical properties of nanomaterials, Materials Science and Engineering R, 2014, 79, 1–40.
[7] Luo W., Hu W., Xiao S., Size effect on the thermodynamic properties of silver nanoparticles, Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112(7) 2359–2369.
[8] Zhao S., Wang S., Cheng D., Ye H., Three distinctive melting mechanisms in isolated nanoparticles, Journal of Physical Chemistry B, 2001, 105(51) 12857–12860.
[9] Chattopadhyay K., Goswami R., Melting and superheating of metals and alloys, Progress in Materials Science, 1997, 42(97) 287–300.
[10] Zhong J., Zhang L., et al., Superheating of Ag nanoparticles embedded in Ni matrix, Acta Materialia,  2001, 49(15) 2897–2904.
[11] Zhang D., Cantor B., Melting behaviour of In and Pb particles embedded in an Al matrix, Acta Metallurgica et Materialia, 1991, 39(7) 1595–1602.
[12] Calvo F., Thermodynamics of nanoalloys, Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17, 27922–27939.
[13] Garzel G., Janczak-rusch J., Zabdyr L., Reassessment of the Ag – Cu phase diagram for nanosystems including particle size and shape effect, Calphad, 2012, 36, 52–56.
[14] Lee J., Tanaka T., Lee J., Mori H., Effect of substrates on the melting temperature of gold nanoparticles, Calphad, 2007, 31, 105–111.
[15] Mayoral A., Barron H., Estrada-Salas R., Vazquez-Duran A., Jose-Yakaman M., Nanoparticle stability from the nano to the meso interval, Nanoscale, 2010, 2, 335–342.
[16] Xiong S., Qi W., Huang B., Wang M., Cheng Y., Li Y., Size and shape dependent surface free energy of metallic nanoparticles, J. Comput. Theor. Nanosci, 2011, 8, 2477–2481.
[17] Nanda, K., Sahu S., Behera S., Liquid-drop model for the size-dependent melting of low-dimensional systems, Physical Review A, 2002, 66, 013208.
[18] Zhao M., Yao X., Zhu Y., Jiang Q., Effect of the interface energy on the pressure-induced superheating of metallic nanoparticles embedded in a matrix, Scripta Materialia, 2018, 142, 23–27.
[19] Xiong S., Qi W., et al., Universal relation for size dependent thermodynamic properties of metallic nanoparticles, Physical Chemistry Chemical Physics, 2011, 13(22) 10652–10660.
[20] Lu H., Jiang Q., Size-dependent surface energies of nanocrystals, Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(4) 5617–5619.
[21] Guisbiers G., Kazan M., Van Overschelde O., Wautelet M., Pereira S., Mechanical and thermal properties of metallic and semiconductive nanostructures, J. Phys. Chem. C., 2008, 112, 4097–4103.
[22] Zhu Y., Lian J., Jiang Q., Modeling of the melting point, Debye temperature, thermal expansion coefficient, and the specific heat of nanostructured materials, Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(39) 16896–16900.
[23] Jiang Q., Liang L., Li J., Thermodynamic superheating and relevant interface stability of low-dimensional metallic crystals, Journal of Physics: Condense Matter, 2001, 13, 565–571.
[24] Zhang Z., Li J., Jiang Q., Modelling for size-dependent and dimension-dependent melting of nanocrystals, Journal of Physics D: Applied Physics, 2000, 33, 2653–2656.
[25] Bhatt S., Kumar M., Effect of size and shape on melting and superheating of free standing and embedded nanoparticles, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2017, 106, 112–117.
[26] Guisbiers G., Review on the analytical models describing melting at the nanoscale, Journal of Nanoscience Letters, 2012, 2, 8-18.
[27] Luo W., Deng L., et al., Gibbs free energy approach to calculate the thermodynamic properties of copper nanocrystals, Physica B: Condens Matter, 2011, 406(4) 859–863.
[28] Monji F., Jabbareh M., Thermodynamic model for prediction of binary alloy nanoparticle phase diagram including size dependent surface tension effect, Calphad, 2017, 58, 1-5.
[29] Dinsdale A., SGTE data for pure elements, Calphad, 1991, 15(4) 317–425.
[30] Tanaka T., Hara S., Thermodynamic evaluation of binary phase diagrams of small particle systems, zeitschrift fur Meterials, 2001, 92(5) 467–472.
 [31] Guisbiers G., Wautelet M., Size, shape and stress effects on the melting temperature of nano-polyhedral grains on a substrate, Nanotechnology, 2006, 17(8) 2008–2011.
[32] Jiang Q., Lu H., Size dependent interface energy and its applications, Surface Science Reports, 2008, 63, 427–464.
[33] Davari M., Jabbareh M., Modeling the interfacial energy of embedded metallic nanoparticles, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2020, 138, 109261.
[34] Xie J., Wang F., et al, Structure transformation and coherent interface in large lattice-mismatched nanoscale multilayers, Journal of Nanomaterials, 2013, 12, 71–76.
[35] Geysermans P., Pontikis V., The structure of the solid-liquid interface : Atomic size effect, Journal of Physics IV, 2002, 12, 239–248.
[36] Qi W., Wang M., Liu Q., Shape factor of nonspherical nanoparticles, Journal of Materials Science, 2005, 40, 2737–2739.
[37] Kaptay G., Modelling interfacial energies in metallic systems, Materials Science Forum, 2005, 473–474, 1–10.
[38] Kaptay G., Approximated equations for molar volumes of pure solid fcc metals and their liquids from zero Kelvin to above their melting points at standard pressure, Journal of Materials Science, 2014, 50(2) 678–687.
[39] Liu X., Gao F., Wang C., Ishida K., Thermodynamic assessments of the Ag-Ni binary and Ag-Cu-Ni ternary Systems, Journal of Electronic Materials, 2008, 37(2) 210–217.
[40] Wang C., Olmuma I., Kainuma R., Isldda K., Thermodynamic assessment of the Cu-Ni-Pb system, Calphad, 2001, 24, 149–167.
[41] Liu Y., Liang D., A contribution to the Al-Pb-Zn ternary system, J. Alloys Compd, 2005, 403, 110–117.
[42] Kaptay G., Csicsovszki G., Sahba Yaghmaee M., An absolute scale for the cohesion energy of pure metals, Mater. Sci. Forum., 2003, 414–415, 235–240.
[43] Iida T., Guthrie R., The Physical Properties of Liquid Metals, Clarendon Press, Oxford, 1988.
[44] Kittel C., Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley & Sons, Inc., New York, 2005.
[45] Nanda K., Liquid-drop model for the surface energy of nanoparticles, Physics Letters A, 2012, 376(19) 1647–1649.
[46] Wittenberg L., DeWitt R., Volume contraction during melting; emphasis on Lanthanide and Actinide metals, Journal of Chemical Physics, 1972, 56(9) 4526–4533.
[47] Ouyang G., Liang L., Wang C., Yang G., Size-dependent interface energy, Applid Physics Letters, 2006, 88(9) 091914.
[48] Meyer G., Michailov M., Menzler M., LEED studies of the epitaxy of Pb on Cu(111) Surface Science, 1987, 189/190, 1091–1093.
[49] Gråbaek L., Bohr J., et al, Superheating and supercooling of Lead precipitates in Aluminum, Physical Review Letters, 1990, 64(8) 934–937.
[50] Dick K., Dhanasekaran T., Zhang Z., Meisel D., Size-dependent melting of silica-encapsulated Gold nanoparticles, Journal of American Chemical Society, 2002, 124(10) 2312–2317.
[51] Mei Q., Wang S., et al., Pressure-induced superheating of Al nanoparticles encapsulated in Al2O3 shells without epitaxial interface, Acta Materialia, 2005, 53, 1059–1066.
[52] Fu Q., Zhu J., Xue Y., Cui Z., Size- and shape-dependent melting enthalpy and entropy of nanoparticles, J. Mater. Sci., 2017, 52, 1911–1918.