Настройка режима скольжения-качения углеродных нанотрубок с помощью гидроксильных групп

Фон

Управление поведением наноэлектромеханических систем (НЭМС) и нанороботов при движении является сложной и сложной задачей из-за поверхностных и интерфейсных эффектов. Стимуляция природных, синтетических, физических и других источников энергии может управлять механическим движением нано- и микродвигателей [1]. Например, с помощью внешнего электрического поля [3] можно управлять неполярными нанотранспортерами однонаправленно [2] и четырехколесными молекулами, а также тепловым движением молекулярных нанотранспортеров [4].

Углеродные нанотрубки играют важную роль в НЭМС из-за их превосходных электрических, механических и термических свойств. Были разработаны наноустройства на основе углеродных нанотрубок, такие как наночастицы [5], наномоторы [6, 7], наноподшипники [8, 9] и наноразмерные электромеханические приводы [10]. Однако настройка движения этих наноустройств все еще остается открытым вопросом. В исследовательских документах сообщается, что для приведения в действие коаксиальных нанотрубок был использован температурный градиент [11]. Между тем, исследователи изучали факторы, которые могут влиять на поведение углеродных нанотрубок при движении, включая соизмеримое или несоразмерное состояние между интерфейсами [12], деформацию углеродных нанотрубок [13,14,15] и введенные группы, такие как атомы водорода в концы мотора [16]. Среди этих факторов относительно легко добиться введения функциональных групп на углеродные нанотрубки. Исследователи изучили свойства движения и трения поверхностных фторированных углеродных нанотрубок [17], слоев оксида графена с различными функциональными группами [18] и гидрированного графена [19, 20]. Однако до сих пор не сообщалось о влиянии введенных гидроксильных групп на поведение углеродных нанотрубок. Эта статья демонстрирует, что введение гидроксильных групп может регулировать поведение углеродных нанотрубок при качении или скольжении. Наше исследование может пролить свет на направленное управляемое движение сложных молекулярно-механических систем на основе углеродных нанотрубок, таких как наночастицы с зубчатой ​​рейкой. Более того, для других цилиндрических наноматериалов, таких как наноспирали, которые имеют большой потенциал [21], результаты также предоставляют возможный способ управления их движением.

Методы

Имитационные модели состоят из однослойных углеродных нанотрубок (10,10) (ОСУНТ) и подложки Si. Рассмотрены три различные структуры, как показано на рис. 1. Модель а представляет собой идеальную имитационную модель (рис. 1а), которая включает горизонтально ориентированные углеродные нанотрубки и подложку Si. Модель b состоит из углеродной нанотрубки и Si-подложки, покрытой гидроксильными группами (рис. 1b). Модель c также состоит из углеродной нанотрубки и подложки Si, но обе части покрыты гидроксильными группами на поверхности (рис. 1c). Содержание гидроксильных групп на подложке Si относится к отношению количества гидроксильных групп к количеству атомов Si на поверхности подложки Si. Размер подложки Si (0 0 1) составляет 8,01 нм в x направлении и 7,98 нм по y направление. Подложка Si состоит из 5400 атомов Si.

Имитационные модели. а Идеально. б Подложка Si покрыта гидроксильными группами. c Углеродная нанотрубка и подложка Si покрыты гидроксильными группами

Потенциал AIREBO [22] и потенциал TERSOFF [23] применяются для описания взаимодействий между атомами C внутри углеродной нанотрубки и между атомами Si внутри подложки, соответственно. Поскольку атомы O не рассматриваются в потенциале AIREBO, силовое поле OPLS используется для описания Si – O – H в подложке Si и C – O – H на углеродных нанотрубках [24,25,26,27]. Водородная связь между интерфейсами в модели c рассчитывается силовым полем ДРЕЙДИНГА [28]. Сила Ван-дер-Ваальса между углеродной нанотрубкой и подложкой Si описывается классическим 12-6 потенциалом Леннарда-Джонса (LJ) [29]. Параметры для C, H и O можно найти в литературе [25], а параметры для Si - в литературе [28]. Движение углеродной нанотрубки, представленное здесь, моделируется с помощью крупномасштабного атомно-молекулярного массивно-параллельного симулятора (LAMMPS) [30]. Все моделирование выполняется в каноническом ансамбле (NVT). Температура системы составляет 300 К. Сравнение результатов с использованием термостата Нозе-Гувера и термостата Ланжевена в модели a показывает, что термостат Ланжевена почти влияет на движение углеродной нанотрубки и помогает системе достичь равновесия. Поэтому термостат Ланжевена используется при моделировании. Коэффициент демпфирования термостата Ланжевена, t _r , который относится к вкладу случайных сил в уравнении Ланжевена, для всех случаев установлен равным 0,1 пс [31]. Атомы нижнего слоя подложки Si закреплены для имитации пластины Si. Периодические граничные условия применяются вдоль x и y направления. Чтобы провести такую ​​же периодическую границу для углеродной нанотрубки и подложки Si в y направлении, подложка Si сжимается на 1,90% по y направление, которое невелико; поэтому влиянием на движение углеродных нанотрубок можно пренебречь. Численное интегрирование уравнений динамики выполняется алгоритмом Velocity-Verlet с шагом по времени 0,001 пс. Процесс моделирования выглядит следующим образом. Во-первых, структура системы моделирования оптимизируется за счет минимизации энергии. Затем релаксация проводится в течение 100 пс, чтобы система достигла равновесия. Наконец, постоянная скорость или постоянная сила на углеродной нанотрубке вдоль x направление установлено, чтобы заставить его двигаться по подложке Si. Постоянная скорость вдоль x направление осуществляется установкой поперечной силы центра углеродной нанотрубки на ноль.

Результаты и обсуждение

Сначала мы устанавливаем постоянную поступательную скорость 10 м / с для углеродной нанотрубки в x направление. В обеих моделях a и b углеродная нанотрубка скользит по подложке. Однако прокатка происходит в модели c, где углеродная нанотрубка и подложка Si покрыты гидроксильными группами. Когда соотношение гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si составляет 10%, углеродная нанотрубка катится по подложке Si с небольшим скольжением (дополнительный файл 1:фильм S1). Более того, если соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 10 и 20%, соответственно, углеродная нанотрубка продолжает катиться по подложке Si в течение времени моделирования (дополнительный файл 2:Movie S2). На рисунке 2а показана трехмерная траектория движения атома C на углеродной нанотрубке, когда соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 10 и 20% соответственно. Движение атома C представляет собой движение углеродной нанотрубки, потому что углеродная нанотрубка, очевидно, не изменит свою форму. Координата углеродной нанотрубки в z направление движется вверх и вниз, и максимум z смещение составляет около 1,3 нм, что аналогично диаметру ОСУНТ (10,10) 1,38 нм. Результат указывает на движение качения. Углеродная нанотрубка перемещается примерно на 10,8 нм в x направление. Поскольку постоянная скорость 10 м / с в x направление применяется к углеродной нанотрубке, что заставляет углеродную нанотрубку перемещаться на 9,5 нм в направлении x направление в процессе движения 950 пс. Следовательно, дополнительное расстояние перемещения в x направление - 1,3 нм. Значение равно максимуму смещения по оси z, что указывает на преобладание качения в движении. Кроме того, небольшое скольжение по y направление тоже происходит. Причина может быть связана с неравновесной силой в осевом направлении углеродной нанотрубки из-за случайного распределения гидроксильных групп, которое заставляет углеродную нанотрубку скользить вдоль y направление. Подобные явления можно найти в другой исследовательской работе [31]. Когда соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si изменяется на 5% и 5%, а также 5% и 10%, движение углеродной нанотрубки становится другим. На рисунке 2b показано положение атома C в z направление, когда соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% и 10% / 20% соответственно. В случаях, когда соотношение гидроксильных групп составляет 5% / 5% и 5% / 10%, скольжение является основным движением, сопровождающимся небольшим перекатыванием. В случае, когда соотношение гидроксильных групп составляет 5% / 5%, углеродная нанотрубка скользит примерно на 500 пс при небольшом качении, а затем катится примерно на 500 пс. В случае, когда соотношение гидроксильных групп составляет 5% / 10%, углеродная нанотрубка скользит примерно на 500 пс при небольшом качении, а затем продолжает скользить.

а Трехмерная траектория движения атома C на углеродной нанотрубке. Соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 10 и 20% соответственно. б Координата атома C на углеродной нанотрубке в z направление как функция времени. Соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% и 10% / 20% соответственно

Дополнительный файл 1:фильмы S1 . (AVI 4439 кб)

Дополнительный файл 2:фильмы S2 . (AVI 4929 кб)

Чтобы установить механизм изменения режима движения из-за гидроксильных групп, мы исследуем потенциальную энергию границы раздела в различных условиях, так как на поведение движения ОСУНТ влияет потенциальный барьер границы раздела [15]. Межфазные потенциальные энергии между углеродной нанотрубкой и подложкой Si в моделях a и c показаны на рис. 3a, b, который получен, если позволить углеродной нанотрубке скользить по подложке на 20,0 и 20,0 нм вдоль x и y направлениях соответственно после релаксации. В модели c выбран случай с соотношением гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si 10% / 20%, поскольку углеродная нанотрубка продолжает катиться в этом состоянии. В идеальной модели a из-за несоразмерного состояния между углеродной нанотрубкой и подложкой Si распределение потенциальной энергии между границами раздела является равномерным. В результате углеродная нанотрубка скользит по подложке. Однако в модели c взаимодействие гидроксильных групп между интерфейсами приводит к огромному изменению потенциальной энергии на границе раздела. Пик локального потенциального барьера даже достигает порядка 10 ⁷ эВ. Случайное распределение гидроксильных групп вызывает равномерное распределение высокого потенциального барьера. Следовательно, углеродная нанотрубка не может напрямую пересекать потенциальный барьер, что приводит к скатыванию для уменьшения межфазного потенциального барьера. Поскольку потенциальный барьер покрывает всю поверхность из-за случайного распределения гидроксильных групп, углеродная нанотрубка продолжает катиться вдоль x направление. В случаях, когда соотношение гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si составляет 5% / 5%, 5% / 10% и 10% / 10%, их потенциальный барьер относительно ниже, чем в случае, когда гидроксильные группы соотношение составляет 10% / 20%. Причина в том, что меньшее количество гидроксильных групп на границе раздела приводит к более слабому взаимодействию. Когда кинетическая энергия углеродной нанотрубки выше барьера, она скользит. В противном случае углеродная нанотрубка начнет катиться.

а , b Межфазная потенциальная энергия между углеродной нанотрубкой и подложкой Si. а Идеальная модель. б Соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 10% / 20%. c Среднее трение по углеродной нанотрубке в шести случаях. На вставке показано трение углеродной нанотрубки во времени в трех случаях в моделях a, b и c. Соотношение гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si в моделях b и c составляет 0/10% и 10% / 10%, соответственно. г Средние числа водородных связей в шести случаях в c

Введение гидроксильных групп между интерфейсами влияет не только на движение углеродной нанотрубки, но и на трение между интерфейсами. На рисунке 3c показано среднее трение по углеродной нанотрубке в шести случаях, когда соотношение гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si составляет 0/0, 0/10%, 5% / 5%, 5% / 10%, 10%. / 10% и 10% / 20% соответственно. Результаты показывают, что среднее трение значительно увеличивается с соотношением гидроксильных групп. В моделях a и b средняя сила трения почти равна нулю. Поскольку шероховатость поверхности увеличивается из-за введения гидроксильных групп, среднее трение в модели b больше, чем в идеальной модели a. На вставке к рис. 3c показано, что колебания боковой силы в модели b больше, чем в модели a. В модели c, поскольку углеродная нанотрубка и подложка Si являются привитыми гидроксильными группами, колебания боковой силы и среднего трения значительно больше, чем в моделях a и b. Когда соотношение гидроксильных групп составляет 10% / 20%, среднее трение увеличивается примерно до 2,19 нН.

Для более глубокого понимания механизма трения и поведения движения мы изучили химические связи во время движения. Мы наблюдаем, что водородные связи образуются между гидроксильными группами на границах раздела. Соответствующие средние числа водородных связей в этих шести случаях показаны на рис. 3d. Увеличение числа водородных связей приводит к более высокому потенциальному барьеру и трению с увеличением соотношения гидроксильных групп. По сути, водородная связь оказывает большое влияние на трение [32].

На поведение углеродной нанотрубки влияют не только гидроксильные группы между интерфейсами, но и скорость углеродных нанотрубок, особенно когда межфазный потенциальный барьер относительно низок из-за небольшого количества межфазных гидроксильных групп. При скорости углеродной нанотрубки 20, 50, 70 м / с на рис. 4a показана координата атома C в z направление, когда соотношение гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si составляет 5% / 5%. При скорости 20 м / с в движении углеродных нанотрубок преобладает прокатка. Углеродная нанотрубка со скоростью 50 м / с перемещается на 50 нм в x направление и крены за один раунд, что означает попеременное скольжение и качение. На скорости 70 м / с углеродная нанотрубка в основном скользит по подложке, сопровождаясь легким качением. Причина аналогична тому, что введенные гидроксильные группы между поверхностями могут регулировать движение углеродной нанотрубки. Поскольку межфазный барьер относительно низкий, когда кинетическая энергия углеродной нанотрубки велика, углеродная нанотрубка напрямую проходит через нее. Однако, когда кинетическая энергия низкая, углеродная нанотрубка имеет тенденцию катиться, чтобы снизить межфазный барьер. Более того, кривая средней силы трения со скоростью углеродной нанотрубки при соотношении гидроксильных групп 5% / 5% показана на фиг. 4b. Трение уменьшается со скоростью, что согласуется с экспериментальной работой других исследователей [32].

а Координата атома C на углеродной нанотрубке в z направление как функция времени, когда углеродная нанотрубка движется со скоростью 20, 50 и 70 м / с. б Кривая средних сил трения со скоростями углеродной нанотрубки. c Координата атома C на углеродной нанотрубке в z направление, когда соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si составляет 5% / 10%. Постоянная внешняя сила, приложенная к углеродной нанотрубке, составляет 0,000625 нН в x направление

Аналогичный результат может быть получен путем приложения постоянной внешней силы к углеродной нанотрубке в x направление. С одной стороны, когда внешняя сила велика, углеродная нанотрубка скользит только по подложке. С другой стороны, если сила слишком мала, углеродная нанотрубка не может двигаться. В результате происходит переход ролика-скольжения под действием постоянной внешней силы 0,000625 нН. На рисунке 4c показана координата атома C на углеродной нанотрубке в z направление, когда соотношение гидроксильных групп углеродной нанотрубки и подложки Si составляет 5% / 10%. Результат показывает, что координата атома C в z На первом этапе направление явно возрастает, что указывает на режим качения. Затем координата в z направление не сильно меняется на более позднем этапе, что означает, что в движении преобладает скользящий режим. Причина в том, что кинетическая энергия углеродной нанотрубки вначале мала, что не может напрямую преодолеть межфазный барьер, что приводит к качению. С увеличением кинетической энергии углеродной нанотрубки ее поведение при движении меняется от вращения к скольжению.

Мы дополнительно исследуем влияние угла хиральности, диаметра и длины углеродных нанотрубок на их поведение при движении. Во-первых, мы исследуем эффект хирального угла с использованием пяти конфигураций:SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6) и SWCNT (15,0), которые имеют разные углы, но имеют почти одинаковые диаметры. Результаты показывают, что их поведение при движении такое же, как у ОСУНТ (10,10), что указывает на то, что влиянием хирального угла на поведение привитых гидроксильных углеродных нанотрубок можно пренебречь. Затем мы выбираем SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) и SWCNT (25,25), чтобы изучить влияние диаметра. Результаты моделей a и b аналогичны результатам для SWCNT (10,10). Однако в модели c результаты отличаются от результатов для SWCNT (10,10). Когда режим движения SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) и SWCNT (25,25) изменяется на непрерывную прокатку, соотношение гидроксильных групп составляет 10% / 25%, 15% / 30% и 20% / 30% соответственно. Чем больше диаметр, тем выше соотношение гидроксильных групп при изменении режима движения. Причина может быть связана с изменением площади контакта интерфейса. Структуры интерфейса показывают, что SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) и SWCNT (25,25) имеют платформу внизу, как показано на рис. рулон. Более высокое соотношение гидроксильных групп обеспечивает более сильное межфазное взаимодействие и, в конечном итоге, приводит к прокатке. У SWCNT (7,7) и SWCNT (10,10) нет платформы на дне, и тогда поведение движения SWCNT (7,7) почти такое же, как у SWCNT (10,10). Наконец, мы исследуем влияние длины на движение, изменяя длину SWCNT (10,10). Явно исследуются три длины:21,7, 54,3 и 81,4 нм. Мы обнаружили, что поведение движения ОСУНТ (10,10) с длиной 21,7 нм согласуется с исходной моделью c. Однако в случаях с длиной 54,3 и 81,4 нм они проявляют небольшую деформацию изгиба во время процесса прокатки из-за большого отношения длины к диаметру.

Структура углеродной нанотрубки на подложке Si. а ОСУНТ (15,15). б ОСУНТ (20,20). c SWCNT (25,25)

Выводы

Таким образом, мы показываем, что введение гидроксильных групп между интерфейсами приводит к образованию водородных связей, что увеличивает барьер на границе раздела и трение. Режим движения (скольжение или вращение) углеродной нанотрубки на подложке Si может быть настроен за счет соотношения введенных гидроксильных групп на границах раздела и скорости углеродной нанотрубки. Когда соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si невелико (<10% / 20%), движение углеродной нанотрубки зависит от межфазного потенциального барьера и кинетической энергии. Если кинетическая энергия углеродной нанотрубки высока, углеродная нанотрубка скользит по подложке. В противном случае углеродная нанотрубка будет скатываться, чтобы снизить барьер. Когда соотношение гидроксильных групп на углеродной нанотрубке и подложке Si выше 10% / 20%, при этом межфазный барьер потенциальной энергии очень высок, углеродная нанотрубка продолжает катиться. Настройка режима движения возможна для УНТ с разными углами хиральности, длиной и диаметром, регулируя соотношение гидроксильных групп. Влияние гидроксильной группы на режим движения углеродной нанотрубки можно было бы использовать для управления движением УНТ, и можно было бы изготавливать программируемые наноустройства.

Сокращения

LAMMPS:

Крупномасштабный массово-параллельный симулятор атомно-молекулярного моделирования

NEM:

Наноэлектромеханические системы

SWCNT:

Одностенные углеродные нанотрубки