ナノスケールでの合体と焼結のメカニズムが根本的に異なる場合：分子動力学研究

古典的な等温分子ダイナミクスを使用して、数千から数万の原子、およびメソスコピック固体auナノ粒子の焼結を含むメソスコピックAuナノ樹液の合体をシミュレートしました。原子シミュレーションには、埋め込み原子法を使用しました。採用されているオープンアクセスプログラムの大規模な原子/分子の大規模な並列シミュレーターにより、並列グラフィカル処理ユニットの計算を実現できます。私たちは、ナノドロップレットの合体（温度がナノ粒子の融解温度よりも高い）と固体ナノ粒子焼結の規則性とメカニズムが互いに異なるという結論を出しました。また、ナノスプレットの合体はナノスケールで流体力学的現象として解釈されるのに対し、固体ナノ粒子の焼結は、原子の集合的再配列、表面拡散、他のタイプの拡散など、さまざまなメカニズムに関連するはるかに複雑な現象であると結論付けました。同時に、原子の集合的再編成は、固体ナノ粒子焼結にだけでなく、ナノドロプレットの合体にも関連しています。一般に、我々の分子動力学は、10 000〜30 000の原子で構成されるAuナノ粒子の焼結の結果、約100原子で構成されるAuナノクラスターの分子動力学実験で以前に確認されたフェランドミンナイの運動トラップ概念に一致します。

Employing classical isothermal molecular dynamics, we simulated coalescence of mesoscopic Au nanodroplets, containing from several thousands to several hundred thousands of atoms, and sintering of mesoscopic solid Au nanoparticles. For our atomistic simulations, we used the embedded atom method. The employed open access program large-scale atomic/molecular massively parallel simulator makes it possible to realize parallel graphical processing unit calculations. We have made a conclusion that the regularities and mechanisms of the nanodroplet coalescence (temperature is higher than the nanoparticle melting temperature) and of the solid nanoparticle sintering differ from each other. We have also concluded that the nanodroplet coalescence may be interpreted as a hydrodynamic phenomenon at the nanoscale whereas sintering of solid nanoparticles is a much more complex phenomenon related to different mechanisms, including collective rearrangements of atoms, the surface diffusion, and other types of diffusion. At the same time, collective rearrangements of atoms relate not only to the solid nanoparticle sintering but also to the nanodroplet coalescence. In general, our molecular dynamics results on sintering of Au nanoparticles consisting of 10 000-30 000 atoms agree with the Ferrando-Minnai kinetic trapping concept that was earlier confirmed in molecular dynamics experiments on Au nanoclusters consisting of about 100 atoms.