محاسبه انرژی سطح وابسته به اندازه نانوذرات و نانوحفرات کروی فلزی به روش دینامیک مولکولی

ویژگی های منحصربه فرد نانوساختارها عمدتاً ناشی از نسبت سطح به حجم بالای آنها است. یکی از مهم ترین کمیت ها برای بررسی ویژگی های سطحی مواد، انرژی سطح آنها است. از این رو، محاسبه انرژی سطح برای درک صحیح رفتار و ویژگی های مواد نانوساختار امری ضروری است. پژوهش حاضر به بررسی انرژی سطح وابسته به اندازه نانوذرات و نانوحفرات کریستالی فلزات آلومینیوم، نقره، مس و آهن می پردازد. بدین منظور برای هر فلز، نانوذرات و نانوحفرات کروی با شعاع های مختلف به روش دینامیک مولکولی شبیه سازی شده و انرژی سطح آنها به دست آمده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که برای نانوذرات و نانوحفرات با شعاع های به اندازه کافی کوچک در محدوده چندنانومتر، انرژی سطح به اندازه نانوساختار وابسته است. برای نانوذرات کروی، انرژی سطح با افزایش شعاع نانوذره افزایش می یابد، در حالی که برای نانوحفرات کروی با افزایش شعاع حفره، انرژی سطح کاهش پیدا می کند. همچنین، تغییرات انرژی سطح بر حسب اندازه برای نانوحفرات، شدیدتر از نانوذرات است. انرژی سطح نانوذرات و نانوحفرات با افزایش شعاع به یک مقدار حدی نزدیک می شود که این مقدار حدی، انرژی سطح تخت کریستالی یا انرژی سطح گیبس با جهت گیری کریستالی دارای بیشترین انرژی سطح است.

Calculating the Size-dependent Surface Energy of Metallic Spherical Nanoparticles and Nanocavities Using Molecular Dynamics

The unique characteristics of nanostructures are mainly due to their large surface to volume ratio. One of the most important quantities in investigating the surface properties of materials is the surface energy. Therefore, calculating the surface energy is necessary for the proper understanding of the behavior and properties of nanostructured materials. The present study investigates the sizedependent surface energy of crystalline nanoparticles and nanocavities of aluminum, silver, copper, and iron. For this purpose, spherical nanoparticles and nanocavities with different radiuses are modeled by molecular dynamics simulations and their surface energy is obtained. The simulation results demonstrate that for nanoparticles and nanocavities with sufficiently small radiuses in the range of a few nanometers, the surface energy depends on the size of the nanostructure. For spherical nanoparticles, the surface energy increases with increasing nanoparticle radius, while for the spherical nanocavities, the surface energy decreases by increasing nanocavity radius. Also, the surface energy variation with size is more intense for nanocavities in comparison with nanoparticles. By increasing the radius, the surface energy of nanoparticles and nanocavities approaches to an asymptotical value, which is the surface energy of a crystalline flat surface or the Gibbs surface energy for the crystallographic surface orientation with the maximum surface energy.