مدل سازي ترموديناميكي رفتار ذوب نانو ذرات فلزي جاسازي شده در فاز زمينه

Thermodynamic Modeling of the Melting Behavior of Metallic Nanoparticles Embedded in a Matrix

دماي ذوب يكي از مهمترين ويژگي هاي وابسته به اندازه در نانوذرات است. مطالعه تجربي دماي ذوب نانو ذرات بسيار پيچيده است از اين رو مدل هاي رياضي مختلفي جهت پيش بيني دماي ذوب نانو ذرات آزاد و نانو ذرات جاسازي شده در فاز زمينه ارايه شده است. با اين حال اغلب اين مدل ها صرفا بر مبناي خصوصيات فاز جامد ارايه شده اند و ويژگي هاي فاز مايع را در نظر نميگيرند. اين امر موجب مي شود كه نتايج حاصل از اين مدل ها عمدتا با خطاي زيادي همراه باشد. لذا ارايه مدل هاي جديد كه دقت محاسباتي بالاتري داشته باشند، امري ضروري است. در تحقيق حاضر، بر اساس محاسبه انرژي آزاد گيبس فاز جامد و مايع، مدلي ترموديناميكي جهت محاسبه دماي ذوب نانو ذرات جاسازي شده در فاز زمينه ارايه شده است. مدل ارايه شده جهت محاسبه دماي ذوب در سه سيستم متفاوت شامل نانو ذرات نقره در زمينه نيكل و نانوذرات سرب در زمينه مس و روي مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان داد كه در سيستم هاي مورد مطالعه كاهش اندازه ذرات موجب افزايش دماي ذوب نانوذرات خواهد شد. مقايسه نتايج حاصل از مدل با داده هاي تجربي و همچنين نتايج حاصل از مدل هاي موجود، دقت بالاتر مدل ارايه شده در مقايسه با ساير مدل ها را تاييد مي كند. علاوه بر اندازه، اثر شكل نانو ذرات بر دماي ذوب آنها مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه تغيير دماي ذوب با تغيير شكل نانو ذرات تنها در نانوذرات كوچك تر از 10 نانومتر مشهود است.

Melting temperature is one of the most important size-dependent properties in nanoparticles. The experimental study of nanoparticle melting is so complicated. So, many mathematical models have been proposed to predict the melting temperature of free and embedded nanoparticles. However, most of these models are based solely on solid phase properties and does not take the properties of the liquid state into account. This causes inaccuracies in the results of these models. Therefore, development of new models with more accuracy is essential. Based on the calculation of Gibbs free energies of solid and liquid phases, in the present study, a thermodynamic model is proposed to calculate the melting temperature of embedded nanoparticles. The proposed model used to calculate the melting temperature of silver nanoparticles embedded in nickel matrix and Pb nanoparticles embedded in Cu and Zn matrices. The results showed that in the studied systems, reducing the particle size will increase the melting temperature of the nanoparticles. Comparing the calculated results with the available experimental data as well as the results of the previous models confirms the higher accuracy of the proposed model. In addition to the particle size, the effect of nanoparticle shape on the melting temperature is investigated. The results showed that the change in melting temperature with the change in nanoparticles shape is evident only in nanoparticles smaller than 10 nm.