Багатофункціональне металеве скло: початкове дослідження Pd₃₉Ni₁₀Cu₃₀P₂₁ для підвищення механічної міцності та оптичного екранування
Анотація
Об'ємні металеві стекла (BMG) – це тип твердого матеріалу з аморфними атомними структурами, що демонструють сприятливі механічні, теплові та функціональні властивості. У цьому дослідженні представлені властивості скла, що вивчають першопринципні деталі структури об'ємного металевого скла Pd₃₉Ni₁₀Cu₃₀P₂₁, його пружні властивості, термодинаміку та електронно-оптичні характеристики. Розрахунки теорії функціоналу густини були проведені для порівняння з аморфною атомною конфігурацією та співвідношенням енергія-об'єм за допомогою рівняння стану Бірча-Мурнагана третього порядку. Дуже високий об'ємний модуль пружності, приблизно 159 ГПа, та >6 похідних тиску продемонстрували однорідність, опір та сильне зміцнення під тиском. Всі три модулі пружності, коефіцієнт Пуассона та критерій П'ю постійно демонструють пластичну механічну реакцію, залежну від пластичності, опосередкованої зоною перетворення зсуву. Результати теплофізичного дослідження показують стабільну ангармонічну поведінку решітки, температуру Дебая приблизно 395 К та сприятливе теплове розширення, що вказує на добру передбачуваність термомеханічної реакції. Електронні дослідження виявили дуже металеву фазу з низькою псевдощілиною навколо рівня Фермі — головним чином гібридизацію між d-станами перехідних металів та p-станами фосфору у стабільну аморфну фазу. Оптичні спектри, що містять широку смугу, чудову відбивну здатність при низьких енергіях фотонів та ізотропну оптичну реакцію, типові для металевих стекол. На завершення, ці результати доводять, що Pd₃₉Ni₁₀Cu₃₀P₂₁ є високомеханічно стабільним матеріалом для розвитку в різних механічних, оптичних та енергетичних застосуваннях у легкій рамці.
Завантаження
Посилання
Caroline Pereira dos Santos, Carlos Henrique Prado Silva, Marcelo Franklin da Silva Santos, Érico Raimundo Pereira de Novais, Divanizia do Nascimento Souza, Marcos Vinicius dos Santos Rezende, Andréa de Lima Ferreira Novais, DFT to study the structural, optoelectronic, and mechanical properties of CuNiPd and Cu2PPd2 alloys, Journal of Alloys and Compounds, 1038, 2025, 182830, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.182830
Simon Evertz, Denis Music, Volker Schnabel, Jozef Bednarcik, Jochen M. Schneider, Thermal expansion of Pd-based metallic glasses by ab initio methods and high-energy X-ray diffraction. Sci Rep 7, 15744 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-16117-7
He, Y., Schwarz, R.B. Synthesis and Properties of Bulk Metallic Glasses in Pd-Ni-P and Pd-Cu-P Alloys. MRS Online Proceedings Library 455, 495–500 (1996). https://doi.org/10.1557/PROC-455-495
Gong, P.; Deng, L.; Jin, J.; Wang, S.; Wang, X.; Yao, K. Review on the Research and Development of Ti-Based Bulk Metallic Glasses. Metals 2016, 6, 264. https://doi.org/10.3390/met6110264
L.Y. Watanabe, S.N. Roberts, N. Baca, A. Wiest, S.J. Garrett, R.D. Conner, Fatigue and corrosion of a Pd-based bulk metallic glass in various environments, Materials Science and Engineering: C, 33(7), 2013,4021-4025, https://doi.org/10.1016/j.msec.2013.05.044
Sharma, A.; Zadorozhnyy, V. Review of the Recent Development in Metallic Glass and Its Composites. Metals 2021, 11, 1933. https://doi.org/10.3390/met11121933
H. Kato, T. Wada, M. Hasegawa, J. Saida, A. Inoue, H.S. Chen, Fragility and thermal stability of Pt- and Pd-based bulk glass forming liquids and their correlation with deformability, Scripta Materialia, 54(12), 2006, 2023-2027, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.03.025.
F.M. Alamgir, H. Jain, R.B. Schwarz, O. Jin, D.B. Williams, Electronic structure of Pd-based bulk metallic glasses, Journal of Non-Crystalline Solids, 274(1–3), 2000, 289-293, https://doi.org/10.1016/S0022-3093(00)00192-7.
Tirumala Rao Kotni, Muthu Kumar Sampath, Murali Mohan Seepana, Adarsh Kumar Arya, A Review on Corrosion Characteristics of Bulk Metallic Glasses. J. of Materi Eng and Perform (2026). https://doi.org/10.1007/s11665-025-13123-z.
Chen, M. A brief overview of bulk metallic glasses. NPG Asia Mater 3, 82–90 (2011). https://doi.org/10.1038/asiamat.2011.30.
Chen, M. A brief overview of bulk metallic glasses. NPG Asia Mater 3, 82–90 (2011). https://doi.org/10.1038/asiamat.2011.30.
Mark Telford, The case for bulk metallic glass, Materials Today, 7(3), 2004, 36-43, https://doi.org/10.1016/S1369-7021(04)00124-5.
Yanglin Li, Shaofan Zhao, Yanhui Liu, Pan Gong, Jan Schroers, How Many Bulk Metallic Glasses Are There?, CS Comb—Sci—2017, 19, 11, 687–693, https://doi.org/10.1021/acscombsci.7b00048.
Fu-Fa Wu, K. C. Chan, Song-Shan Jiang, Shun-Hua Chen, Gang Wang, Bulk metallic glass composite with good tensile ductility, high strength, and large elastic strain limit. Sci Rep 4, 5302 (2014). https://doi.org/10.1038/srep05302.
H.X. Li, Z.C. Lu, S.L. Wang, Y. Wu, Z.P. Lu, Fe-based bulk metallic glasses: Glass formation, fabrication, properties and applications, Progress in Materials Science, 103, 2019, 235-318, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.01.003.
Inoue, A., Shen, B., Nishiyama, N. (2008). Development and Applications of Late Transition Metal Bulk Metallic Glasses. In: Miller, M., Liaw, P. (eds) Bulk Metallic Glasses. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48921-6_1.
Aga, R.S., Morris, J.R. (2008). Modeling: The Role Of Atomistic Simulations. In: Miller, M., Liaw, P. (eds) Bulk Metallic Glasses. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48921-6_3.
Srivastava, A. Prakash, Pandey, B. Kumar, and Shanker, A. (2026). Pressure-Dependent Structural, Mechanical, and Thermal Behavior of Zr₅₀.₅Ti₄.₈Cu₁₉.₀Ni₁₁.₄Al₁₄.₃ Bulk Metallic Glass: A DFT and Equation of State Study. Physical Chemistry Research, 14(1), 71-85. doi: 10.22036/pcr. 2025.552725.2766.
Shih-Jye Sun, Shin-Pon Ju, Cheng-Chia Yang, Kai-Chi Chang, I-Jui Lee, Effects of Strontium incorporation into Mg-Zn-Ca biodegradable bulk metallic glass investigated by molecular dynamics simulation and density functional theory calculation. Sci Rep 10, 2515 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-58789-8.
Gokul Raman Arumugam Kumar, Kanika Arora, Manish Aggarwal, S. Swayamjyoti, Param Punj Singh, Kisor Kumar Sahu, Raghavan Ranganathan, Structure–property predictions in metallic glasses: Insights from data-driven atomistic simulations. Journal of Materials Research 40, 36–68 (2025). https://doi.org/10.1557/s43578-024-01480-9.
Sahni, V. (2004). The Hohenberg-Kohn Theorems and Kohn-Sham Density Functional Theory. In: Quantal Density Functional Theory. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-09624-6_4.
Sahni, V. (2004). The Hohenberg-Kohn Theorems and Kohn-Sham Density Functional Theory. In: Quantal Density Functional Theory. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-09624-6_4.
Abhay P. Srivastava, Pankaj Sharma, Brijesh K. Pandey, Alok Mishra, Multifunctional Properties of BaTiO3 Across the Cubic–Tetragonal Phase Transition: Implications for Ferroelectric and Electronic Applications. J Inorg Organomet Polym (2026). https://doi.org/10.1007/s10904-026-04390-x.
John P. Perdew, Kieron Burke, and Matthias Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett. 78, 1396 (1997), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.
Kresse, G., & Furthmüller, J. (1996). Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Physical Review B, 54(16), 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169 .
Blanco, M. A., Francisco, E., & Luana, V. (2004). GIBBS: isothermal-isobaric thermodynamics of solids from energy curves using a quasi-harmonic Debye model. Computer Physics Communications, 158(1), 57–72. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2003.10.003 .
Srivastava, A.P., Pandey, B.K., Gupta, A.K. et al. A New Approach to Evaluate Pressure of Solids at High Compression. Natl. Acad. Sci. Lett. 47, 713–718 (2024). https://doi.org/10.1007/s40009-024-01409-0.
Srivastava, A. Prakash, and Pandey, B. Kumar (2026). A Computational Study of Pressure-Induced Melting in LaFeO₃: Using DFT and Semi-Empirical Model. Physical Chemistry Research, 14(1), 1-7. https://doi.org/10.22036/pcr.2025.537079.2712.
Srivastava, A.P., Pandey, B.K. DFT-based evaluation of covalent organic frameworks for adsorption, optoelectronic, clean energy storage, and gas sensor applications. J Mol Model 31, 302 (2025). https://doi.org/10.1007/s00894-025-06535-0.
Chen Feng, Cheng Wei, Bao-long Fang, Hong-yi Fan, A Deduction of the Hellmann-Feynman Theorem. Int J Theor Phys 59, 1396–1401 (2020). https://doi.org/10.1007/s10773-019-04362-7.
Karl F. Shamlaye, Jörg F. Löffler, Synthesis and characterization of Mg-based bulk metallic glasses in the Mg–Ag–Y–(Cu) system, Journal of Alloys and Compounds, 859, 2021, 157803, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157803.
Abhay P. Srivastava, Brijesh K. Pandey, Abhishek K. Gupta, Explore the fascinating realm of comparing metal melting curves by applying the equation of state and Lindemann's law, Computational Condensed Matter, 40, 2024, e00952, 2352-2143, https://doi.org/10.1016/j.cocom.2024.e00952.
Abhay. P. Srivastava, B.K. Pandey, A. K. Gupta, et al. Comparing Melting Curves of Metals Using the Equation of State and Lindemann's Law. Iran J Sci (2024). https://doi.org/10.1007/s40995-024-01748-z.
Abhay. P. Srivastava, B.K. Pandey, A constructive approach to formulating pressure-dependent binding energy using the equation of state. Ionics (2025). https://doi.org/10.1007/s11581-025-06183-7.
Abhay. P. Srivastava, B. K. Pandey, & M. Upadhyay (2024). Anticipating Pressure Changes in Halides under Compression. East European Journal of Physics, (3), 333-339. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-37.
Lin-jun Huang, Jian-guo Tang, G.Y. Liang, Yao Wang, D.C. Wu, Microstructural investigation and electrochemical property of Mg63Ni27Nd10 amorphous alloy, Journal of Power Sources, 189(2), 2009, 1247-1250, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.12.001.
Fenger Sun, Guowei Zhang, Xiaoyan Ren, Mingjie Wang, Hong Xu, Yizheng Fu, Yunqing Tang, Dongyang Li, First-principles studies on phase stability, anisotropic elastic and electronic properties of Al-La binary system intermetallic compounds, Materials Today Communications, 24, 2020, 101101, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101101.
Srivastava, A.P., Pandey, B.K. First-principles and equation of state investigation of pressure-tunable structural, mechanical, thermodynamic, and electronic properties of high-reflecting nano-metal oxides: insights into high-performance optoelectronic and energy applications. Appl Nanosci 15, 47 (2025). https://doi.org/10.1007/s13204-025-03124-8.
Srivastava, A. Prakash, and Pandey, B. Kumar (2026). A Computational Study of Pressure-Induced Melting in LaFeO₃: Using DFT and Semi-Empirical Model. Physical Chemistry Research, 14(1), 1-7. https://doi.org/10.22036/pcr.2025.537079.2712.
Dadi, D.G., Shura, M.W., & Gochole, F. DFT analysis of structural, electronic, and optical properties of Ni and Zn doped CoS counter electrode for dye sensitized solar cells. Sci Rep 15, 35486 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-19663-7
Maurya, D., Pandey, B.K. & Srivastava, A.P. Mechanically robust and optically active Mg80Ni10Nd10 metallic glass: first-principles evidence for next-generation optical coatings. Opt Quant Electron 58, 28 (2026). https://doi.org/10.1007/s11082-025-08615-0.
Srivastava, A.P., Pandey, B.K. Ab initio design of Zr-based bulk metallic glass for high-strength and optical coating applications. Opt Quant Electron 57, 561 (2025). https://doi.org/10.1007/s11082-025-08467-8.
Horsley, S., Artoni, M. & La Rocca, G. Spatial Kramers–Kronig relations and the reflection of waves. Nature Photon 9, 436–439 (2015). https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.106.
Selvam Mathi, Hanan Akhdar, Ranjan S. Shetti, Tarfah Alinad, Abdullah N. Alodhayb, Kunal Mondal, Nagaraj P. Shetti, Amorphous electrocatalysts for oxygen and hydrogen evolution reactions: Advances in hydrogen production, Materials Today Sustainability, 32, 2025, 101223, https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2025.101223.
Akbar Abbas, Saad Tariq, Hussain J. Alathlawi, Fadiyah Antar Makin, Areej Al Bahir, M. Musa Saad H․-E․, High-pressure computational analysis of CsCdF₃: Structural stability, electronic transitions, and thermodynamic properties, Physics Letters A, 541, 2025, 130429, https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130429.
H. W. Sheng, W. K. Luo, F. M. Alamgir, J. M. Bai, E. Ma, Atomic packing and short-to-medium-range order in metallic glasses. Nature 439, 419–425 (2006). https://doi.org/10.1038/nature04421.
Akihisa Inoue, Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys, Acta Materialia, 48(1), 2000, 279-306, https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00300-6.
Anjani K. Pandey, B.K. Pandey, Rahul, Theoretical prediction of Grüneisen parameter for bulk metallic glasses, Journal of Alloys and Compounds, 509(11), 2011, 4191-4197, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.11.120.
Knowles, K.M. Necessary and Sufficient Elastic Stability Conditions for Single Crystals. J Elast 157, 19 (2025). https://doi.org/10.1007/s10659-025-10112-0.
Dalsaniya, M.H.; Upadhyay, D.; Patel, P.; Jha, P.K.; Kurzydłowski, K.J.; Kurzydłowski, D. Pressure-Dependent Thermal and Mechanical Behavior of a Molecular Crystal of Bromine. Molecules 2024, 29, 4744. https://doi.org/10.3390/molecules29194744.
Yamada, Y., Kanemitsu, Y. Electron-phonon interactions in halide perovskites. NPG Asia Mater 14, 48 (2022). https://doi.org/10.1038/s41427-022-00394-4.
Mara, J.; Bodnár, A.-E.; Trif, L.; Telegdi, J. Development of Effective Infrared Reflective Coatings. Appl. Sci. 2023, 13, 12903. https://doi.org/10.3390/app132312903.
N. Mattern, M. Stoica, G. Vaughan, J. Eckert, Thermal behavior of Pd40Cu30Ni10P20 bulk metallic glass, Acta Materialia, 60(2), 2012, 517-524, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.10.032
Авторське право (c) 2026 Сангіта Гупта, Аміт Кумар Чаубі, Саріта Чаудхарі, Капіл Бхардвадж, Абхай П. Шрівастава
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
