Efecto de la composición sobre las propiedades estructurales y termodinámicas de nanoaleaciones ternarias metálicas de Cu-Ag-Au

Descripción general:

En los últimos años, la investigación sobre las nanoaleaciones ternarias metálicas han atraído mucho interés en áreas multidisciplinarias como física, química e ingenierías debido a sus aplicaciones potenciales en los campos como la óptica, electrónica, magnetismo y catálisis [1-6]. Los efectos que trae consigo la nanoaleación son de interés, ya que son importantes para determinar especialmente el uso de nanopartículas como catalizadores, porque es bien sabido que las nanoaleaciones tienen una gran relación de volumen-superficie que mejora la actividad catalítica y modula las propiedades físico-químicas [7-9]. Actualmente, estos estudios pertenecen a un área de investigación activa. Especialmente, los metales de transición y sus aleaciones son de gran interés como catalizadores a escalas nanométricas debido a la capacidad que tienen los metales de transición de estar en una variedad de estados de oxidación. Esta combinación entre la capacidad de intercambiar estados de oxidación y la capacidad de formar reactivos complejos es una buena fuente de electrones [10,11]. Además, la nanoaleación de Cu-Ag-Au es de interés debido a la composición de metales relativamente nobles cuyas propiedades son bien conocidas [4,12]. Por lo tanto, la demanda de investigación sobre este tema está aumentando continuamente y ha sido ampliamente estudiado experimentalmente [13-18] y teóricamente [4,5,19,20] en estos años.

En este campo de investigación, la estabilidad adecuada de las nanoaleaciones de Cu-Ag-Au de tamaño pequeño es la estructura poli-icosaédrica, donde el tamaño mágico es de 38 átomos (otro número mágico es de 55 átomos). El icosaédro de 55 átomos que corresponde a una estructura ideal perfectamente simétrica se divide en tres capas, la primera capa constituye un solo átomo, la segunda capa tiene 12 átomos y la tercera capa tiene 42 átomos. Por lo tanto, la estabilidad estructural, electrónica y termodinámica de las nanoaleaciones metálicas de tamaños mágicos (13, 23, 26, 38, 55 átomos, etc.) son muy importantes conocerlas [21-23], y explorar tamaños grandes es de necesidad relevante actual. Asimismo, debido a la dependencia de las propiedades con el tamaño y composición, el estudio de la estabilidad térmica de las nanoaleaciones es difícil de investigar por métodos experimentales. Los desarrollos recientes empleando los métodos teóricos muestran que las simulaciones y cálculos teóricos proporcionan información sobre las propiedades físicas, estabilidad térmica y evolución estructural de estos sistemas a escala nanométrica. Una búsqueda detallada de las transiciones de fase es una forma importante de analizar los cambios estructurales y la estabilidad térmica en el proceso de fusión de nanoaleaciones. Por consiguiente, la temperatura en la que los cambios de estabilidad estructural ocurren es un tema muy importante de discusión, especialmente para aplicaciones termo-eléctricas y catalíticas. La variación de la composición de las nanolaeaciones ternarias desempeña un papel crucial para ajustar la estabilidad térmica y sus propiedades de aplicación [24-27].

En el presente proyecto de investigación, se abordarán estos temas que están aún abiertos y que necesitan ser estudiados en detalle para las nanoaleaciones ternarias de Cu-Ag-Au con tamaños grandes. Siendo más explícitos, empleando el método de simulación de dinámica molecular usando los potenciales de campo de fuerza de muchos cuerpos tipo EAM (del inglés, embedded-atom method) [28] para las interacciones Cu-Cu, Cu-Ag, Ag-Ag, Ag-Au y Au-Au. Toda la simulación con dinámica molecular se llevará acabo en el marco del ensemble canónico/isotérmico, es decir simulación NTV, usando el paquete LAMMPS [29]. Vale agregar que las simulaciones atomísticas de MD tienen un papel importante como complemento de experimentos en el estudio de materiales debido a las dificultades de sus mediciones experimentales a escala atómica.

Referencias

[1] H. Arslan, A. K. Garip and S. Taran, J. Nanoparticle Res., 21, 130 (2019).

[2] A. K. Garip, Mol. Simul., 45, 1004 (2019).

[3] A. K. Garip, Int. J. Mod. Phys. C, 29, 9 (2019).

[4] X. Wu, G. Wu, Y. Chen and Y. Qiao, J. Phys. Chem. A, 115, 13316 (2009).

[5] D. Cheng, X. Liu, D. Cao, W. Wang and S. Huang, Nanotechnology, 18, 475702 (2007). [6] R. Ferrando, J. Jellinek and R. L. Johnston, Chem. Rev., 108, 845 (2008).

[7] S. Taran, Comput. Theor. Chem., 1166, 112576 (2019).

[8] H. Arslan, A. K. Garip and R. L. Johnston, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 28311 (2015). [9] H. Arslan, Int. J. Mod. Phys. C, 18, 1351 (2007).

[10] https://sciencing.com/why-are-transition-metals-good-catalysts-12342816.html.

[11] https://www.chemguide.co.uk/inorganic/transition/features.html.

[12] S. A. C. Carabineiro, Molecules, 21, 746 (2016).

[13] D. C. Chrzan and L. M. Falicov, Phys. Rev. B, 37, 3894 (1988).

[14] Y. Yao and S. Fan, Mater. Lett., 61, 177 (2007).

[15] C. Zhang, P. Chen, J. Liu, Y. Zhang, W. Shen, H. Xu and Y. Tang, Chem. Commun., 28, 3290 (2008).

[16] Y. Azizi, C. Petit and V. Pitchon, J. Catal., 256, 338344 (2008).

[17] J. A. Ascencio, H. B. Liu, U. Pal, A. Medina and Z. L. Wang, Microsc. Res. Tech., 69, 522 (2006).

[18] C. M. Chang, C. Cheng and C. M. Wei, J. Chem. Phys., 128, 124710 (2008).

[19] H. B. Liu, M. A. Espinosa-Medina, E. Sosa and G. C. De la Torre, J. Comput. Theor. Nanosci., 6, 2224 (2009).

[20] P. Wynblatt and A. Landa, Comput. Mater. Sci., 15, 250 (1999).

[21] R. Ferrando, Structure and Properties of Nanoalloys: Frontiers of Nanoscience (Elsevier, 2016).

[22] F. Chen, B. C. Curley, G. Rossi and R. L. Johnston, J. Phys. Chem. C, 111, 9157 (2007). [23] G. Wu, Y. Sun, X. Wu, R. Chen and Y. Wang, Chem. Phys. Lett., 686, 103 (2017).

[24] M. Li and D. Cheng, J. Phys. Chem. C, 117, 18751 (2013).

[25] A. Rapallo, J. A. Olmos-Asar, O. A. Oviedo, M. Luduena, R. Ferrando and M. M. Mariscal, J. Phys. Chem. C, 116, 17218 (2012).

[26] R. Subbaraman and S. K. R. S. Sankaranarayanan, Phys. Rev. B, 84, 075434 (2011). [27] H. Arslan and A. E. Irmak, Int. J. Mod. Phys. C, 20, 1747 (2009).

[28] X. W. Zhou, R. A. Johnson, H. N. G. Wadley, Phys. Rev. B, 69, 144113 (2004).

[29] S. Plimpton, J. Comput. Phys., 1995, 117, 1–19.