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Atomistic understanding of diffusion kinetics in nanocrystals from molecular dynamics simulations

机译：从分子动力学模拟中原子扩散动力学的原子学理解

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Understanding the grain size effect on diffusion in nanocrystals has been hampered by the difficulty of measuring diffusion directly in experiments. Here large-scale atomistic modeling is applied to understand the diffusion kinetics in nanocrystals. Enhanced short-circuit diffusivity is revealed to be controlled by the rule of mixtures for grain-boundary diffusion and lattice diffusion, which can be accurately described by the Maxwell-Garnett equation instead of the commonly thought Hart equation, and the thermodynamics of pure grain-boundary self-diffusion is not remarkably affected by varying grain size. Experimentally comparable Arrhenius parameters with atomic detail validate our results. We also propose a free-volume diffusion mechanism considering negative activation entropy and small activation volume. These help provide a fundamental understanding of how the activation parameters depend on size and the structure-property relationship of nanostructured materials from a physical viewpoint.
机译：由于难以在实验中直接测量扩散，因此难以理解晶粒尺寸对纳米晶体中扩散的影响。在这里，大规模的原子建模被用来理解纳米晶体中的扩散动力学。增强的短路扩散率显示出受晶界扩散和晶格扩散的混合规则控制，这可以通过麦克斯韦-加纳特方程（而非通常认为的哈特方程）以及纯晶粒的热力学来精确描述。边界自扩散不受晶粒尺寸变化的明显影响。具有原子细节的实验可比的Arrhenius参数验证了我们的结果。我们还提出了考虑负激活熵和小的激活体积的自由体积扩散机制。这些帮助从物理角度提供了有关活化参数如何取决于尺寸和纳米结构材料的结构-性质关系的基本理解。

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