Understanding mono- and bi-metallic Au and Ni nanoparticle responses to fast heating
Comprendre les réponses des nanoparticules mono- et bi-métalliques d'Au et de Ni à un chauffage rapide.
Résumé
Nanoparticle assembly, alloying and fragmentation are fundamental processes with significant implications in various fields such as catalysis, materials science, and nanotechnology. Understanding these processes under fast heating conditions is crucial for tailoring nanoparticle properties and optimizing their applications. For this, we employ molecular dynamics simulations to obtain atomic-level insights into nanoparticle behavior. The performed simulations reveal intricate details of sintering, alloying and fragmentation mechanisms shedding light on the underlying physical phenomena governing these processes. The calculation results help to visualize nanoparticle evolution upon undercritical and supercritical heating elucidating not only the role of temperature, but also of nanoparticle sizes and composition. In particular, it is shown that surface tension and surface energy play important roles not only in nanoparticle melting but also in its fragmentation. When the added energy exceeds a critical threshold, the nanoparticle begins to experience alternating compression and expansion. If the tensile stress surpasses the material's strength limit, fragmentation becomes prominent. For very small particles (with radius smaller than ∼10 nm), this occurs more rapidly, whereas sub-nano-cavitation precedes the final fragmentation in larger particles, which behave more like droplets. Interestingly, this effect depends on composition in the case of AuNi alloy nanoparticles, as expected from the phase diagrams and excess energy. The heating level required to overcome the mixing barrier is also determined and is shown to play an important role in the evolution of AuNi nanoparticles, in addition to their size. Furthermore, our findings provide insights into controlling nanoparticle synthesis for various applications in numerous nanotechnological domains, such as catalysis, sensors, material analysis, as well as deseas diagnostics and treatment. This study bridges the gap between experimental observations and theoretical predictions paving the way for designing advanced nanomaterials with enhanced functionalities.
L'assemblage, l'alliage et la fragmentation des nanoparticules sont des processus fondamentaux ayant des implications significatives dans divers domaines tels que la catalyse, la science des matériaux et la nanotechnologie. Comprendre ces processus dans des conditions de chauffage rapide est crucial pour adapter les propriétés des nanoparticules et optimiser leurs applications. Pour cela, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire afin d'obtenir des informations à l'échelle atomique sur le comportement des nanoparticules. Les simulations réalisées révèlent des détails complexes des mécanismes de frittage, d'alliage et de fragmentation, éclairant les phénomènes physiques sous-jacents régissant ces processus. Les résultats des calculs aident à visualiser l'évolution des nanoparticules lors d'un chauffage sous-critique et supercritique, en mettant en lumière non seulement le rôle de la température, mais aussi celui de la taille et de la composition des nanoparticules. En particulier, il est démontré que la tension de surface et l'énergie de surface jouent un rôle important non seulement dans la fusion des nanoparticules, mais aussi dans leur fragmentation. Lorsque l'énergie ajoutée dépasse un seuil critique, la nanoparticule commence à subir une compression et une expansion alternées. Si la contrainte de traction dépasse la limite de résistance du matériau, la fragmentation devient prépondérante. Pour les très petites particules (d'un rayon inférieur à environ 10 nm), cela se produit plus rapidement, tandis que la sub-cavitation précède la fragmentation finale dans les particules plus grandes, qui se comportent davantage comme des gouttelettes. Fait intéressant, cet effet dépend de la composition dans le cas des nanoparticules d'alliage AuNi, comme prévu par les diagrammes de phase et l'énergie excédentaire. Le niveau de chauffage nécessaire pour surmonter la barrière de mélange est également déterminé et joue un rôle important dans l'évolution des nanoparticules AuNi, en plus de leur taille. En outre, nos résultats fournissent des informations sur le contrôle de la synthèse des nanoparticules pour diverses applications dans de nombreux domaines nanotechnologiques, tels que la catalyse, les capteurs, l'analyse des matériaux, ainsi que le diagnostic et le traitement des maladies. Cette étude comble le fossé entre les observations expérimentales et les prédictions théoriques, ouvrant la voie à la conception de nanomatériaux avancés aux fonctionnalités améliorées.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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