Разработка программного комплекса для оптимизации параметров синтеза нанопорошков металлов

В данной работе было проведено моделирование методом молекулярной динамики в программном пакете LAMMPS получения наночастиц металлов (Cu, Au, Ni, Al) из газовой фазы при различных параметрах синтеза, с детальным исследованием влияния температуры и скорости охлаждения на форму, размер и морфологию наночастиц. На основе полученных данных был разработан алгоритм, на основе которого был создан программный комплекс для оптимизации параметров синтеза наночастиц металлов. Для реализации алгоритма в качестве основного был выбран язык программирования С++. Полученные в ходе молекулярнодинамических моделирований эффективные физические величины, параметры моделей, подгоночные коэффициенты, не включены в исходный код программ, а реализованы в виде подключаемых баз данных, которые в дальнейшем можно будет дополнять новыми наборами металлов и их сплавов или уточнять для уже представленных. При помощи этого программного комплекса станет возможным определять требуемые условия установки синтеза (температурный режим, время охлаждения, состав и концентрация паров металла) для получения наночастиц с заданными параметрами (тип частиц, их распределение по размеру, соотношение компонентов в частице).

1. Grammatikopoulos P. Atomistic modeling of the nucleation and growth of pure and hybrid nanoparticles by cluster beam deposition. Current Opinion in Chemical Engineering. May 2019;23:164–173. DOI: 10.1016/j.coche.2019.04.004.

2. Bohra M. et al. Tuning the onset of ferromagnetism in heterogeneous bimetallic nanoparticles by gas phase doping. Phys. Rev. Materials. November 2017;1(6):066001. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.1.066001.

3. Davari S.A., Mukherjee D. Kinetic Monte Carlo simulation for homogeneous nucleation of metal nanoparticles during vapor phase synthesis. AIChE Journal. July 2018;64(1):18– 28. DOI: 10.1002/aic.15887.

4. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. Journal of Computational Physics. March 1995;117(1):1–19. DOI: 10.1006/jcph.1995.1039.

5. Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys. June 1986;33(12):7983–7991. 10.1103/PhysRevB.33.7983. DOI: 10.1103/PhysRevB.33.7983.

6. Wang G., Xu Y., Qian P., Su Y. Vacancy concentration of films and nanoparticles. Computational Materials Science, February 2020;173:109416.

7. Cai J., Li Y. L., Mo D., Wang, Y. D. Softening effect on elastic moduli of Fe, Nb, Cu, and RuAl nanoparticles. Journal of nanoscience and nanotechnology, December 2019;19(12):7899-7905. DOI:

8. Chepkasov I.V., Popov Z.I. Analysis of thermal effects on copper nanoparticles synthesized from the gas phase. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. IOP Publishing. November 2015; 81:012033. DOI:

9. Liu S., Chen G., Prasad P. N., Swihart, M. T. Synthesis of monodisperse Au, Ag, and Au– Ag alloy nanoparticles with tunable size and surface plasmon resonance frequency. Chemistry of Materials. August 2011;23(18):4098-4101. DOI: 10.1021/cm201343.

10. Nam H. S., Hwang N. M., Yu B. D., Yoon, J. K. Formation of an icosahedral structure during the freezing of gold nanoclusters: surface-induced mechanism. Physical review letters. December 2002;89(27):275502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.275502.