Estudio de la transición de fase líquido-sólido y propiedades termodinámicas de las nanopartículas de AgN

Abstract

Realiza el estudio de la transición de fase líquido-sólido de las nanopartículas libres de plata AgN, donde N = 147, 309, 561, 923, 1415, 2057, 2869, 3871 y 5083 con diámetro entre 1.7 y 5.5 nm que corresponden a números mágicos relativos a la geometría icosaédrica. El estudio de la transición se realiza mediante dinámica molecular, usando simulaciones canónicas siendo la temperatura controlada por el termostato de Andersen. Las ecuaciones de movimiento atómico fueron integradas numéricamente por el algoritmo de Gear predictor-corrector de 5to orden y un paso de tiempo de 2 fs (2 × 10−15 s). Las nanopartículas fueron enfriadas en etapas sucesivas desde 1000 hasta 325 K y calentadas según el tamaño hasta 1000 o 1300 K (N > 1000) en intervalos de 25 K. En cada intervalo se usaron 20000 pasos de simulación para equilibrar las nanopartículas a cada temperatura, lo cual definió una rapidez de enfriamiento y calentamiento de 6,25 × 1011 K/s. Se estimó la dependencia de la energía interna de las nanopartículas con respecto a la temperatura, de cuyo análisis se obtuvieron sus propiedades termodinámicas tales como la capacidad calorífica en el estado sólido y líquido, el calor latente y la temperatura de fusión y solidificación. El análisis de pares y la función de distribución par se usaron para estudiar los cambios estructurales de las nanopartículas durante la simulación de la solidificación. Del análisis estructural se observó claramente una conexión entre la relación superficie/volumen de las nanopartículas y su evolución estructural. Las nanopartíıculas con ns > 50% y ns < 50% solidifican a estructuras con tendencia no cristalina y cristalina, respectivamente. Donde ns es el porcentaje de átomos en la superficie sobre el total. La solidificación de la nanopartícula Ag923 (d 3,14 nm) fue simulada utilizando una velocidad de enfriamiento de 5 × 109 K/s. También se hizo un análisis estructural, de la cual se pudo comparar su evolución con la teoría de nucleación homogénea. Se demostró que la transición de fase se dio mediante la creación de embriones de la nueva fase que al aumentar de tamaño y disminuir la temperatura se hacen más estables como describe la teoría de nucleación. Sin embargo, el parecer hay una discordancia entre el tamaño crítico predicho por la teoría y la calculada por la simulación.