Квантово-механічне моделювання взаємодії частинок ультрадисперсного алмазу з йонами нікелю

UKR: Методом електроосадження з водного розчину електроліту нікелювання, що містить частинки ультрадисперсного алмазу (УДА), отримані металеві композиційні покриття. Результати досліджень катодних поляризаційних залежностей свідчать про збільшення опору перенесення заряду через можливу адсорбцію йонів металу на поверхні частинок УДА. Для встановлення механізму співосадження йонів металу та частинок УДА автори запропонували квантово-механічну модель формування металовуглецевого комплексу йонів нікелю з коміркою кристалічної ґратки алмазу, що відповідає точковій групі симетрії $m3m$ ($4/m$ $-3$ $2/m$). Методом теорії функціонала густини з використанням гібридного функціонала B3LYP досліджено адсорбційні властивості атомів нікелю з коміркою алмазу. Запропоновано моделі комірки алмазу з одним, двома та трьома зв'язаними йонами металу. Розрахунки енерґій зв'язку виконані з використанням пакета програм GAUSSIAN 09. Результати розрахунків енерґії зв'язку адсорбованих йонів нікелю з коміркою алмазу показали, що у водному розчині електроліту можлива адсорбція йонів нікелю на поверхні частинок УДА з утворенням стабільних комплексів метал-вуглецевий наноматеріал. За послідовного приєднання одного та двох йонів металу до комірки алмазу енерґія зв'язку зменшується від 0.200 еВ до 0.126 еВ. Три і більше йони нікелю не утримуються на поверхні кристалічної ґратки алмазу, оскільки їхня енерґія зв'язку менша від енерґії теплового руху 0.025 еВ. Металовуглецеві комплекси, що утворилися у водному розчині електроліту, унаслідок адсорбції атомів нікелю на поверхні частинок УДА, набувають позитивного заряду й рухаються до катода під дією електричного поля, створеного різницею потенціалів між анодом і катодом. Результати досліджень растрової електронної мікроскопії (РЕМ) поверхні та металографії торцевих шліфів електролітичних нікелевих покриттів підтверджують припущення щодо механізму сумісного осадження йонів металу та частинок УДА на катоді. Наявність частинок УДА в композиційному нікелевому покритті реєструється у вигляді темних включень.

ENG: Composite metal coatings have been fabricated from an aqueous solution of an electrolyte that contains particles of ultradispersed diamond (UDD). Results from the cathodic polarization curve have shown an increase in charge-transfer resistance. Presumably, particles of ultradispersed diamond obtain a charge in the solution by adsorbing metal ions on its surface. To investigate the co-deposition mechanism of metal ions and UDD particles, the authors proposed a quantum mechanical model of the interaction between nickel ions and a cell of a diamond crystal lattice corresponding to the point group of symmetry $m3m$ ($4/m$ $-3$ $2/m$). The adsorption properties of nickel atoms with the diamond cell were studied using the density functional theory method with the hybrid functional B3LYP. Models of the diamond cell with one, two, and three bound metal ions have been developed. Calculations of binding energies were performed using the GAUSSIAN 09 program package. The obtained results for the binding energy of adsorbed nickel ions with the diamond cell confirmed the possibility of adsorption of nickel ions on the surface of UDD particles from an aqueous solution of electrolytes, leading to the formation of stable metal-carbon nanomaterial complexes. With the sequential addition of one and two metal ions to the diamond cell, the binding energies were observed to decrease from 0.200 eV to 0.126 eV. Three or more nickel ions were not retained on the surface of the diamond crystal lattice, as their binding energies were significantly lower than the thermal movement energy of 0.025 eV. It can be assumed that the metal-carbon complexes, formed as a result of metal atom adsorption on the surface of a UDD particle, acquire a charge in the electrolyte solution and move towards the cathode under the influence of the electric field generated by the potential difference between the anode and the cathode. The results of SEM studies on the surface and metallography of end sections of electrolytic nickel coatings confirm the hypothesis regarding the co-deposition mechanism of metal ions and UDD particles on the cathode. The presence of UDD particles in the composite nickel coating is identified as dark inclusions.