CHANGE IN THE STRUCTURE OF TITANIUM NANOCLUSTERS UNDER THERMAL EXPOSURE: MOLECULAR DYNAMIC SIMULATION
Authors: Панькин Николай Александрович 
Published: December 2021

Исследование структуры нанокластеров при различных температурах является актуальной задачей современного материаловедения. Данный факт обусловлен перспективой их применения при создании материалов с уникальными физическими, механическими, химическими и эксплуатационными свойствами. Компьютерное моделирование проводилось методом классической молекулярной динамики в программном комплексе LAMMPS. Для описания межатомного взаимодействия в кластере использовалась модификация многочастичного потенциала Финниса-Синклера. Проведено изучение структуры нанокластеров титана различного размера. Они получены при различных скоростях охлаждения из жидкого состояния. Увеличение скорости охлаждения приводит к формированию субблочной структуры и росту числа атомов с неупорядоченным окружением. Они обусловлены тем, что большие скорости охлаждения препятствуют равновесному протеканию процессов перестройки атомной структуры с формированием дальнего порядка. Областей с икосаэдрической структурой не обнаружено. Показано, что температура кристаллизации и энергия связи уменьшаются при убывании размера нанокластера. Рост скорости охлаждения увеличивает разницу температур точек начала и конца кристаллизации, соответственно. Результаты моделирования свидетельствуют о менее выраженной размерной зависимости температуры кристаллизации - её оценочное значение для макроскопической системы (810 К) гораздо ниже значения для массивного титана (1940 К).

Investigation of the structure of nanoclusters at different temperatures is an urgent task of modern materials science. This fact is due to the prospect of their application in the creation of materials with unique physical, mechanical, chemical and operational properties. Computer simulation was carried out by the method of classical molecular dynamics in the LAMMPS software package. To describe the interatomic interaction in the cluster, a modification of the Finnis-Sinclair many-body potential was used. The structure of titanium nanoclusters of various sizes has been studied. They are obtained at various cooling rates from the liquid state. An increase in the cooling rate leads to the formation of a subblock structure and an increase in the number of atoms with a disordered environment. They are due to the fact that high cooling rates impede the equilibrium process of rearrangement of the atomic structure with the formation of long-range order. No regions with an icosahedral structure were found. It is shown that the crystallization temperature and binding energy decrease with decreasing nanocluster size. An increase in the cooling rate increases the temperature difference between the start and end points of crystallization, respectively. The simulation results indicate a less pronounced dimensional dependence of the crystallization temperature - its estimated value for a macroscopic system (810 K) is much lower than the value for bulk titanium (1940 K). Keywords: nanocluster, binding energy, crystallization temperature, cooling rate, structure, molecular dynamics method.