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Atomic diffusion in liquid gallium and gallium-nickel alloys probed by quasielastic neutron scattering and molecular dynamic simulations

Shahzad, A. und Yang, Fan und Steffen, J. und Neiss, C. und Panchenko, A. und Goetz, K. und Vogel, C. und Weisser, M. und Embs, J. P. und Petry, W. und Lohstroh, Wiebke und Görling, A. und Goychuk, I. und Unruh, T. (2024) Atomic diffusion in liquid gallium and gallium-nickel alloys probed by quasielastic neutron scattering and molecular dynamic simulations. Journal of Physics - Condensed Matter, 36, Seite 175403. Institute of Physics (IOP) Publishing. doi: 10.1088/1361-648X/ad1e9f. ISSN 0953-8984.

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Kurzfassung

The atomic mobility in liquid pure gallium and a gallium-nickel alloy with 2 at% of nickel is studied experimentally by incoherent quasielastic neutron scattering. The integral diffusion coefficients for all-atom diffusion are derived from the experimental data at different temperatures. DFT-based ab-initio molecular dynamics (MD) is used to find numerically the diffusion coefficient of liquid gallium at different temperatures, and numerical theory results well agree with the experimental findings at temperatures below 500 K. Machine learning force fields derived from ab-initio molecular dynamics (AIMD) overestimate within a small 6% error the diffusion coefficient of pure gallium within the genuine AIMD. However, they better agree with experiment for pure gallium and enable the numerical finding of the diffusion coefficient of nickel in the considered melted alloy along with the diffusion coefficient of gallium and integral diffusion coefficient, that agrees with the corresponding experimental values within the error bars. The temperature dependence of the gallium diffusion coefficient follows the Arrhenius law experimentally for all studied temperatures and below 500 K also in the numerical simulations. However, can be well described alternatively by an Einstein-Stokes dependence with the metallic liquid viscosity following the Arrhenius law, especially for the MD simulation results at all studied temperatures. Moreover, a novel variant of the excess entropy scaling theory rationalized our findings for gallium diffusion. Obtained values of the Arrhenius activation energies are profoundly different in the competing theoretical descriptions, which is explained by different temperature-dependent prefactors in the corresponding theories. The diffusion coefficient of gallium is significantly reduced (at the same temperature) in a melted alloy with natural nickel, even at a tiny 2 at% concentration of nickel, as compared with its pure gallium value. This highly surprising behavior contradicts the existing excess entropy scaling theories and opens a venue for further research.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/204700/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Atomic diffusion in liquid gallium and gallium-nickel alloys probed by quasielastic neutron scattering and molecular dynamic simulations
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Shahzad, A.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yang, FanFan.Yang (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Steffen, J.Chair of Theoretical Chemistry, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Neiss, C.Chair of Theoretical Chemistry, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Panchenko, A.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Goetz, K.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vogel, C.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Weisser, M.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Embs, J. P.Laboratory for Neutron Scattering and Imaging, Paul Scherrer Institut (PSI), Villigen, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Petry, W.TU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lohstroh, WiebkeHeinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), Technische Universität MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Görling, A.Chair of Theoretical Chemistry, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Goychuk, I.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Unruh, T.Institute for Crystallography and Structural Physics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 Februar 2024
Erschienen in:Journal of Physics - Condensed Matter
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:36
DOI:10.1088/1361-648X/ad1e9f
Seitenbereich:Seite 175403
Verlag:Institute of Physics (IOP) Publishing
ISSN:0953-8984
Status:veröffentlicht
Stichwörter:self-diffusion, liquid gallium, gallium-nickel alloy, quasielastic neutron scattering, ab-initio molecular dynamics, DFT-based machine learning force fields
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Materialdesign und neue Materialien
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Materialphysik im Weltraum
Hinterlegt von: Yang, Fan
Hinterlegt am:01 Jul 2024 09:42
Letzte Änderung:01 Jul 2024 09:42

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