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Nat. Commun.：金納米粒子熔化的數(shù)據(jù)驅(qū)動模擬和表征

納米粒子（NP）熱穩(wěn)定性的模擬和分析是其在技術(shù)設(shè)備中應(yīng)用的基礎(chǔ)，需要快速準(zhǔn)確的力場以及有效的表征方法。然而，必須克服兩個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)來改進(jìn)對納米顆粒熱穩(wěn)定性的數(shù)值預(yù)測，第一個(gè)涉及定義相變機(jī)制的無偏差特征的困難，第二個(gè)挑戰(zhàn)與準(zhǔn)確和快速的粒子間電位的發(fā)展有關(guān)。

圖1. 六類局部原子環(huán)境的特征

在此，意大利國際高等研究院Claudio Zeni等人基于從DFT計(jì)算收集的數(shù)據(jù)為金納米粒子開發(fā)了高效、可轉(zhuǎn)移和可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)力場（ML-FF）。作者表征了尺寸為1-6 nm的金（Au）NPs的熔化機(jī)制，使用分子動力學(xué)預(yù)測的熔化溫度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。

這些模擬在映射的高斯過程框架下使用ML-FF，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)原子建模方法中在精度和成本之間權(quán)衡的超越，展示了可以使用小型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練準(zhǔn)確、高效和大小可轉(zhuǎn)移的FF。

圖2. 不同尺寸Au NPs的熔化溫度

為了闡明熔化機(jī)制，作者隨后開發(fā)了一種通用的無監(jiān)督聚類方法來區(qū)分內(nèi)層和表面層，并在原子水平上表征相變。所提出的聚類算法證明熔化轉(zhuǎn)變始于外層，然后擴(kuò)散到內(nèi)部區(qū)域。在其核心熔化之前，NP 外部區(qū)域局部液體環(huán)境的增加與文獻(xiàn)中的表面熔化情況相似。

預(yù)測的趨勢與實(shí)驗(yàn)觀察非常一致，熔化從最外層開始，溫度比NP熔化低幾百K。作者驗(yàn)證了這種熔化機(jī)制的發(fā)生與用于模擬原子間相互作用的FF無關(guān)，但不同的FF可以預(yù)測不同的表面和NP熔化溫度。作者期望這種開發(fā)的數(shù)據(jù)驅(qū)動的模擬和表征方法將刺激和有益于其他旨在解決納米級相變復(fù)雜性的研究。

圖3. Au 6266 NP中液體環(huán)境的分布

Data-driven simulation and characterisation of gold nanoparticle melting, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26199-7

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