После краткого обсуждения проблемы стабильности и нестабильности дисперсных систем в коллоидной химии, включая идеи и концепции, восходящие к П. А. Ребиндеру, предложена следующая классификация нестабильностей отдельных (свободных) наночастиц: 1) нестабильность по отношению к спонтанному распаду на отдельные молекулы (атомы) или нанокластеры меньшего размера; 2) нестабильность формы; 3) нестабильность интегральной структуры наночастиц; 4) нестабильность мезоскопической структуры; 5) нестабильность физико-химических характеристик наночастиц; 6) нестабильность по отношению к воздействию внешней среды, в том числе химическая нестабильность, включая нестабильность к окислению. В качестве примеров рассмотрены проблемы стабильности изомеров металлических нанокластеров и стабильности биметаллических наноструктур ядро-оболочка. Теоретические концепции, связанные со стабильностью и нестабильностью наночастиц, проиллюстрированы нашими молекулярно-динамическими результатами для изомеров нанокластеров Au и для взаимно инверсных (альтернативных) биметаллических наноструктур ядро-оболочка Co@Au и Au@Co (первый элемент (перед символом @) отвечает центральной области (ядру) частицы, а второй – ее оболочке).

After briefly discussing the problem of stability/instability of dispersed systems in colloid chemistry, including ideas and concepts dating back to P.A. Rehbinder, the following classification has been proposed for instabilities of individual (free) nanoparticles: (1) instability with respect to the spontaneous disintegration into individual molecules (atoms) or smaller nanoclusters; (2) instability of shape; (3) instability of the integral structure of nanoparticles; (4) instability of the mesoscopic structure; (5) instability of physicochemical characteristics of nanoparticles; and (6) instability with respect to an external environment, including chemical instability, e.g., instability to oxidation. The problems concerning the stability of isomers of metal nanoclusters and of bimetallic core-shell nanostructures are considered as examples. The theoretical concepts of stability and instability have been illustrated by our molecular dynamics data on isomers of Au nanoclusters and mutually inverse (alternative) bimetallic Co@Au and Au@Co core-shell nanostructures, where the first element (before symbol @) corresponds to the central region (core) of a particle, while the second one refers to its shell.

A comparative study combining the experimental technique of scanning electron microscopy and atomistic simulation by (molecular dynamics) was carried out using of the ternary CoCrMo nanoalloy as an example. Employing the technology of selective laser melting based on the PR-KH28M6 powder, a sample was made for which a non-uniform surface composition with respect to the presence of cobalt and chromium was identified, i.e. areas were simultaneously enriched and depleted in these elements, which indicates the possibility of forming various intermetallic compounds based on them. In the process of atomistic simulation, three nanoparticles of the ternary CoCrMo nanoalloy with the number of 10000, 15000 and 30000 atoms were subjected to a sequential cycle of heating and cooling, including the identification of phase transitions corresponding to melting and crystallization, respectively. The corresponding temperatures of the beginning and end of the phase transition were determined. The regularities of structural and surface segregation in the ternary CoCrMo nanoalloy are described. It is noted that for nanoparticles containing 10000 atoms, only a shell of cobalt atoms is formed without forming a core, while for nanoparticles containing 15000 and 30,000 atoms, an onion-like structure is formed. Chromium atoms form either the core of the nanoparticle as at N =10000 or the peripheral region as at N =15000 and 30000. Molybdenum atoms behave indifferently, i.e. are distributed uniformly throughout the entire volume of the nanoparticles under

The processes of structure formation in Co-Au and Ti-V metal nanoparticles as well as factors affecting the crystallization process are considered. The objects of the study were Co-Au and Ti-V binary nanoparticles containing N = 400, 800, 1520 and 5000 atoms with the equiatomic composition. The computer experiment was carried out using method of molecular dynamics. The interatomic interaction was described by the tight-binding potential. According to the results of a series of computer experiments, it was found that the main factors influencing the possibility of obtaining crystalline phases are: the cooling rate of binary nanoparticles, their size and the size mismatch of atoms included in the composition, as well as the nature of the interaction of metal atoms. The manifestation of stability/instability in binary nanoparticles may be due to patterns of formation of crystalline phases. Moreover, the tendency to segregate one of the components in a binary system may not be the main factor determining the stability/instability of such a system.

В данной работе методом молекулярной динамики с использованием потенциала сильной связи исследовались биметаллические наночастицы Ni@Ag и Ag@Ni с общим количеством атомов 4000. Установлены закономерности сегрегации и структурообразования, описаны их характерные особенности. На основе анализа поведения калорических зависимостей потенциальной части удельной внутренней энергии определялась температура плавления и кристаллизации. Полученные данные позволяют говорить о том, что процессы сегрегации, в частности степень ее выраженности в наночастицах Ni@Ag и Ag@Ni, связаны со стабильностью этих наночастиц. Выше 900 K оболочка из серебра теряет свою стабильность, тогда как ядро никеля остается твердым и сохраняет свою структуру. При этом в наночастице Ni@Ag процессы поверхностной сегрегации атомов ядра были менее выражены, тогда как в наночастице Ag@Ni атомы серебра активно сегрегировали на поверхность наночастицы. Проанализированы особенности и принципиальные различия в процессах плавления и кристаллизации данных наносистем, а так же температурные диапазоны их стабильности. Показана связь между степенью интенсивности сегрегационных процессов наносплавов в ходе моделирования и стабильностью этих систем. This work studied bimetallic nanoparticles Ni@Ag and Ag@Ni with the total number of atoms 4000 by the molecular dynamics method using the tight-binding potential. The pattern of segregation and structural formation is established and its characteristics are described. Based on the analysis of the behavior of the calorie curves of the potential part of the internal energy, the melting and crystallization temperature was determined. The data obtained suggest that the processes of segregation in Ni@Ag and Ag@Ni nanoparticles are associated with the nanoparticle stability. The silver shell loses its stability above 900 K, while the nickel core remains solid and retains its structure. At the same time, in Ni@Ag nanoparticles the processes of the surface segregation of the nucleus atoms were less pronounced, whereas in Ag@Ni nanoparticles silver atoms actively segregated onto the surface of the nanoparticle. The features and fundamental differences in the processes of melting and crystallization of these nanosystems, as well as the temperature ranges of their stability, are analyzed. The relationship between the degree of intensity of segregation processes of nanoalloys during modeling and the stability of these systems is shown.

В данной работе методом молекулярной динамики с использованием многочастичного EAM-потенциала исследованы биметаллические наночастицы Cu-Ag пяти стехиометрических составов различного размера. Установлены закономерности структурообразования, описаны их характерные особенности. В частности, в составах с 10, 70 и 90 ат.% содержанием Си после охлаждения расплавов образуются характерные структуры ГЦК с пересекающимися плоскостями атомов ГПУ фазы. В составах 30 и 50 ат.% Cu доля распознанных фаз не превышает 20% от общего числа атомов. Выявлена тенденция к образованию структуры ядро-оболочка в составах с высоким содержанием меди, в то время как в наносплаве с преобладанием серебра формируется так называемая луковичная структура. С использованием калорических кривых потенциальной части внутренней энергии определены температуры плавления и кристаллизации. Установлено, что концентрационные зависимости температуры плавления биметаллических наночастиц Cu-Ag имеют минимум, отвечающий эквиатомному составу, для всех исследованных размеров. Для температуры кристаллизации как концентрационные зависимости, так и размерные выражены слабее, но также эквиатомному составу для всех размеров соответствует минимальное значение температуры кристаллизации. С увеличением размера биметаллических наночастиц Cu-Ag наблюдается слабый рост температуры кристаллизации. In this work, bimetallic Cu-Ag nanoparticles of five stoichiometric compositions of various sizes were studied by molecular dynamics method using a many body EAM potential. Regularities of the structure formation are established, their characteristic features are described. In particular, in compositions with 10, 70, and 90 at.% Cu content, after the melt cooling, typical fcc structures with intersecting atomic planes of the hcp phase are formed. In compositions of 30 and 50 at.% Cu, the fraction of identified phases does not exceed 20% of the total number of atoms. A tendency to the formation of a core-shell structure was revealed in the case of a high copper content, while in the case of a high silver content, a so-called onion structure is formed. Using the caloric curves of the potential term of the internal energy, the melting and crystallization temperatures were determined. It has been established that the concentration dependences of the melting temperature of bimetallic Cu-Ag nanoparticles have a minimum corresponding to the equiatomic composition for all sizes. For the crystallization temperature, both the concentration dependences and the size dependences are less pronounced, but the minimum value of the crystallization temperature also corresponds to the equiatomic composition for all sizes; with an increase in the size of bimetallic Cu-Ag nanoparticles, a slight increase in the crystallization temperature is observed.

Работа посвящена обоснованию и дальнейшему развитию подхода к анализу мезоскопической и интегральной структуры бинарных металлических наночастиц по радиальным распределениям локальной плотности компонентов. В качестве примера рассмотрены распределения локальной плотности Ni и Al, полученные с использованием результатов молекулярно-динамического моделирования бинарных наночастиц Ni-Al с исходным однородным распределением компонентов и икосаэдрических наноструктур ядро-оболочка Ni@Al. Оба паттерна демонстрируют сегрегацию атомов Al в ходе релаксации и последующей закалки исходных конфигураций, содержащих 5000 атомов в соотношении 1:1 (радиус наночастиц 3 нм). В процессе закалки температура наночастиц уменьшалась от 1000 К до 0,01 К с низкой для атомистического моделирования скоростью охлаждения. Экспериментально бинарные наночастицы Ni-Al радиуса порядка 100 нм (76Ni:24Al ат.%) были синтезированы методом электровзрыва проволок. Представлены и проанализированы экспериментальные распределения интенсивностей, полученных по данным энергодисперсионного анализа при воздействии электронного пучка. Эти распределения в большей степени соответствуют начальным конфигурациям в молекулярно-динамических экспериментах, т.е., очевидно, являются неравновесными. Вместе с тем, сделан вывод, что и конечные молекулярно-динамические конфигурации также не являются в полной степени равновесными. The paper is devoted to the substantiation and further development of the approach to the analysis of the mesoscopic and integral structure of binary metal nanoparticles from the radial distributions of the local density of the components. As an example, the local density distributions of Ni and Al obtained using the results of molecular dynamics modeling of binary Ni-Al nanoparticles with an initial uniform distribution of components and Ni@Al core-shell icosahedral nanostructures are considered. Both patterns demonstrate the surface segregation of Al atoms during relaxation and subsequent quenching of the initial configurations containing 5000 atoms in 1:1 ratio (nanoparticle radius 3 nm). During cooling, the temperature of the nanoparticles decreased from 1000 K to 0,01 K with a low for atomistic simulation cooling rate. Experimentally binary Ni-Al nanoparticles with a radius of about 100 nm (76Ni:24Al at.%) were synthesized by the wire electric explosion. The experimental intensity distributions obtained from the data of energy-dispersive analysis under the action of an electron beam are presented and analyzed. These distributions correspond to a greater extent to the initial configurations in our molecular dynamics experiments, i.e., they are obviously nonequilibrium. At the same time, it was concluded that the final molecular dynamic configurations are also not entirely equilibrium.

According to an earlier hypothesis on the relationship between the spontaneous surface segregation of a component of binary nanoparticles A–B and the stability/instability of nanostructures of the core-shell type (A@B and B@A, where the first component corresponds to the core of a particle and the second to its shell), the stability should be the same as that of the nanostructure whose shell corresponds to the component of binary nanoparticles spontaneously segregating to the surface. This hypothesis is tested, and possible deviations from this pattern are identified through the atomistic modeling of Co@Au, Au@Co, Ni@Cu, and Cu@Ni nanostructures.

В данной работе методом молекулярной динамики с использованием потенциала сильной связи исследовались биметаллические наночастицы Au - Co трёх стехиометрических составов различного размера. Установлены закономерности структурообразования, описаны их характерные особенности. В частности, в составах с 50ат.% и 75ат.% содержанием Au образуются множественные малые ядра локальной икосаэдрической симметрии. Только в составе Co -25ат.% Au с увеличением размера частиц преобладают кристаллические фазы. Выявлены составы, в которых внутренняя симметрия наночастицы определена наличием одного икосаэдра, либо сверхструктуры из нескольких икосаэдров. Рассчитаны концентрационные зависимости энергии смешения биметаллической наночастицы Au - Co. Показано, что в определённом диапазоне размеров существуют концентрационные составы, при которых биметаллический наносплав может проявлять нестабильность. С использованием калорических кривых потенциальной части внутренней энергии определены температуры кристаллизации. Установлено, что температура кристаллизации демонстрирует умеренный, либо существенный, в зависимости от состава, рост с увеличением размера биметаллических наночастиц Au - Co. This work studied bimetallic Au - Co nanoparticles of three stoichiometric compositions of various sizes by the molecular dynamics method using the tight-binding potential. The regularities of structure formation are established, their characteristic features are described. In particular, in compositions with 50at% and 75at% Au content, multiple small nuclei of local icosahedral symmetry are formed. Crystalline phases prevail only in the Co - 25 at% Au composition with an increase in the particle size. Compositions are revealed in which the internal symmetry of a nanoparticle is determined by the presence of one icosahedron or a superstructure of several icosahedrons. The concentration dependences of the mixing energy of a bimetallic Au - Co nanoparticle are calculated. It is shown that there are concentrations of compositions at which bimetallic nanoalloys can exhibit instability in a certain size range. Crystallization temperatures were determined using the caloric curves of the potential part of the internal energy. It was found that the crystallization temperature demonstrates a moderate or significant, depending on the composition as well as growth with an increase in the size of bimetallic Au - Co nanoparticles.

В данной работе исследуются закономерности структурообразования на примере биметаллических наночастиц Au - Ag, Ti - Al, Ti - V. Данные биметаллические наночастицы обладают различным размерным несоответствием и различной температурой кристаллизации. Проведены серии молекулярно-динамических экспериментов, по результатам которых проанализированы конечные конфигурации с наименьшей энергией и получены концентрационные зависимости энергии смешения. Анализ концентрационных зависимостей энергии смешения позволяет прогнозировать составы и размеры биметаллических наночастиц, которые могут проявлять нестабильность, как например для биметаллических наночастиц Ti - V. Асимметричность отдельных концентрационных зависимостей энергии смешения свидетельствуют о специфических структурных превращениях, характерных именно для данного состава и размера. Установлено, что для биметаллических наночастиц Au - Ag, Ti - Al характерна структурная сегрегация, и она активно проявляется при малых концентрациях более легкоплавкого компонента. Конкурирующими фазами в данном случае выступают ГЦК и ГПУ фазы. Кроме того, для средних из рассматриваемых в статье размеров исследована зависимость температуры кристаллизации от состава биметаллических наночастиц. In this work, of the structure formation was investigated using Au - Ag, Ti - Al, Ti - V bimetallic nanoparticles as the patterns. These bimetallic nanoparticles have different atomic size mismatches and different crystallization temperatures. A series of molecular dynamics experiments was carried out. Based on their results, the final configurations with the lowest energy were analyzed and the concentration dependences of the mixing energy were obtained. An analysis of the concentration dependences of the mixing energy makes it possible to predict the compositions and sizes of bimetallic nanoparticles, which can exhibit instability, such as for Ti - V bimetallic nanoparticles. The asymmetry of individual concentration dependences of the mixing energy is evidence of specific structural transformations characteristic for the given composition and size. It has been established that structural segregation is characteristic for Au - Ag,Ti - Al bimetallic nanoparticles and it is actively manifested at low concentrations of a more low-melting component. The competing phases in this case are fcc and hcp phases. In addition, for the average sizes considered in the article, the dependence of the crystallization temperature on the composition of bimetallic nanoparticles was investigated.

В данной работе проведено молекулярно-динамическое моделирование процесса кристаллизации из расплава биметаллических наночастиц Co-Au различного состава. Исследовалось влияние размерного несоответствия радиусов атомов, входящих в биметаллическую систему, а также внешнего давления на конечные конфигурации, охлажденные до температуры 100 К. Установлено, что удельная потенциальная энергия для биметаллической наночастицы Co-Au увеличивается с увеличением внешнего давления. Кроме того, при увеличении внешнего давления происходят структурные изменения, а именно нелинейным образом меняется среднее число икосаэдрических атомов внутри кластера. Зависимость удельной потенциальной энергии биметаллических наночастиц Co - Au различного состава от коэффициента размерного несоответствия ξ носит более сложный характер. Минимум для обогащенного золотом состава и эквиатомного состава наблюдается при значении ξ= 1,09 и ξ=1,15 соответственно. In this work, molecular dynamics simulation is carried out of crystallization of bimetallic Co - Au nanoparticles from the melt with various compositions. The effects of the dimensional mismatch between the atomic radii and external pressure on the final configurations cooled up to the temperature 100 K was studied. It was found that the specific potential energy for the bimetallic Co - Au nanoparticle increases with an increase in external pressure. Besides, as the external pressure increases, structural changes occur, namely, the average number of icosahedral atoms inside the cluster changes in a nonlinear character. The dependence of the specific potential energy of bimetallic Co - Au nanoparticles of various compositions on the coefficient of the dimensional mismatch ξ is more complex. The minimum for the gold-enriched composition and equiatomic composition is observed at the values ξ=1,09 and ξ=1,15, respectively.

In this paper the process of the structure formation in the bimetallic nanosystem Au - Ag of the equiatomic type at different external pressures has been investigated. It has been found that the external pressure affects the process of formation of the bcc phase only slightly, as does the size factor as well. At the same time, the ratios between fcc, hcp and icosahedral phases can vary significantly, under influence of both the external pressure and thesize effect.

The simulation was carried out using two alternative Monte Carlo and molecular dynamics methods of the coalescence process with gradual thermal action for metallic nanoparticles based on nickel, aluminum, copper, silver and gold. The following types of mono- and bimetallic systems were considered: in the form of a sphere and in the form of two perpendicular blocks. It is established that the evolution of the coalescence process for monometallic nanoparticles differs significantly from that for bimetallic nanoparticles. Characteristics such as the coalescence temperature, the structure and shape of the neck, the dihedral angle between the nanoparticles can differ significantly. It is argued that it is impossible to accurately predict the behavior of a bimetallic system in the process of coalescence, knowing the evolution of the process of coalescence for monometallic systems consisting of the same metals.

The Monte Carlo method was used to study size dependences of the melting and crystallization temperatures of nickel nanoparticles, their hysteresis area, and changes in the specific excess surface energy during the direct and reverse melting/crystallization phase transition. Simulation results for nickel nanoclusters indicate the presence of melting and crystallization temperature regions, which generally correlates well with simulation results for other metals. We employed simulation by using the embedded atom model and tight-binding Cleri-Rosato potential. Results of three series of computer experiments for the size dependences of the melting and crystallization temperatures made using the two interatomic potentials in the software package LAMMPS and our own softwares were found to be in good accordance between themselves.

The process of coalescence of various metal nanoparticles has been studied by the Monte Carlo method. The interaction of nanoparticles is described by a multiparticle Gupta type potential. An algorithm of recognizing and estimating a dihedral angle at the neck is developed. The dihedral angle between metal nanoparticles during their sintering is estimated.