Investigation of deflection of the CNT/G composite by molecular dynamics simulation

Abstract


Graphene and nanomaterials based on graphene have been using in the field of biomedicine as a material for biosensorics. The main components in biosensors are sensors, which must be flexible, scalable, sensitive and reliable. The deformation of the material changes its electrical resistance, therefore the study of the mechanical properties of composites, consisting of nanotubes and graphene, is the urgent task. Currently, active development of methods for the synthesis of composites consisting of graphene and parallel to it oriented nanotubes have been carrying. However, papers on the investigation of the optical and electronic properties of this composition was carried out not enough, and papers on the investigation of the mechanical properties of composites have not been found. The aim of this work is a theoretical investigation of the depending the bending force on the transverse displacement of atom in center of the composite material consisting of graphene and parallel to it (8, 0) zigzag nanotubes. The choice of a nanotube (8, 0) for research in this work is due to the minimum diameter of the nanotubes that make up the composite of this type. The stability of the composite was estimated by calculating the value of enthalpy and is characterized by a negative value of enthalpy. It was established that enthalpies do not change depending on the distance between the axes, along which the nanotubes belonging to the composites are oriented. Composite material was retained on both edges by support in the absence of a substrate. The search for the equilibrium state of the structure was determined by the molecular mechanics method using the Brenner energy potential within the framework of the molecular dynamics method. Mathematical modeling of the action of the needle of the atomic force microscope was carried out using the single-layer armchair carbon nanotube. The interaction between the armchair nanotube and the composite is carried out by means of the van der Waals forces.

Full Text

Введение. Перспектива развития наноустройств связана с нахождением новых уникальных свойств углеродных материалов, что стимулирует синтез и исследование одного из перспективных новых материалов, особенности и возможности которых не были раскрыты в полной мере. Этим материалом является углеродный композит «УНТ-графен», образованный углеродными нанотрубками (УНТ) и графеном. Интерес именно к этому композиту вызван тем, что графен является углеродным материалом с высокой электрической проводимостью, теплопроводностью, оптической прозрачностью и исключительными механическими свойствами [1]. В настоящее время отсутствует технология его массового изготовления из-за сложности получения графена протяженных размеров, что связано с наличием дефектов в синтезируемых образцах графена. Поэтому для решения этой проблемы предложено синтезировать новую гибридную структуру, состоящую из ковалентно соединенных между собой однослойных углеродных нанотрубок (УНТ) и графеновых листов [2]. В настоящее время синтезируемые композиты «УНТ-графен» можно разделить на две морфологические группы [3]: 1) 3D-композит - «колонный графен» - нанотрубки ориентированы вертикально относительно графеновых слоев и расположены между ними; 2) 2D гибридные пленки - трубки расположены между соседними слоями, параллельными им (ковалентное или ван-дер-ваальсовое соединение между УНТ и графеном). 575 К о л е с н и к о в а А. С., К и р и л л о в а И. В., Б а р е г а м я н Г. А., К о с с о в и ч Л. Ю. Во второй группе можно выделить структуры с упорядоченным и хаотическим параллельным расположением УНТ друг относительно друга. Среди двух классов композитов «УНТ-графен» особый интерес вызывает класс композитов 2D гибридные пленки. Этот интерес обусловлен тем, что научных работ по исследованию свойств композита 2D гибридные пленки мало [4-8]. В работе [5] осуществлялось исследование зависимости электрического сопротивления композита «УНТ-графен» от величины деформации изгиба. Авторы работ [4, 5] показали, что электрическое сопротивление композита «УНТ-графен» ниже по сравнению с электрическим сопротивлением составных частей этого композита, т. е. углеродных нанотрубок и графена. Композиты типа «УНТ-графен» уже используются в ультрапрозрачных гибких устройствах памяти [9], в полевых транзисторах [4], а также в качестве суперконденсаторов [10] и материала для электрохимического хранения энергии [11,12]. Таким образом, можно отметить, что, несмотря на большое разнообразие потенциальных применений гибридного «УНТ-графен» - композита нового поколения, направление его исследования, связанное с механическими свойствами, не изучено. Для расширения областей применения такого композита важной задачей является подробное исследование его свойств. Однако основной задачей улучшения и модернизации наноустройств путем использования в них композитов «УНТ-графен» в качестве элементной базы необходимо исследовать механические свойства этих структур. В настоящее время исследование данных характеристик не проводилось для композита «УНТ-графен» в виде 2D гибридных пленок. Целью данной работы является теоретическое исследование динамической зависимости изгибающей силы от стрелы прогиба композитного материала «УНТ-графен», имеющего вид 2D гибридных пленок. Композит удерживался с двух краев опорами при отсутствии подложки. Поиск равновесного состояния структуры определялся методом молекулярной механики с использованием энергетического потенциала Бреннера [13] в рамках метода молекулярной динамики [14-16]. 1. Объект исследования. Объектом исследования является углеродный композит, образованный двумя графеновыми лентами типа zigzag и тремя нанотрубками типа zigzag, расположенными между ними и соединенными с ними ковалентными химическими связями (рис. 1). В целом композит представляет собой 2D-пленку, протяженную в направлениях

About the authors

Anna S Kolesnikova

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: Kolesnikova.88@mail.ru
83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation
Cand. Phys. & Math. Sci.; Associate Professor; Dept. of Mathematical Theory of Elasticity and Biomechanics

Irina V Kirillova

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: ivkirillova@yandex.ru
83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation
Cand. Phys. & Math. Sci.; Director; Scientific and Educational Institute of Nanostructures and Biosystems

Gaik A Baregamyan

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: baregaik@gmail.com
83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation
Postgraduate Student; Dept. of Mathematical Theory of Elasticity and Biomechanics

Leonid Yu Kossovich

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: president@sgu.ru
83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation
Dr. Phys. & Math. Sci., Professor; Head of Department; Dept. of Mathematical Theory of Elasticity and Biomechanics

References

  1. Wei J., Wei C., Su L., Fu J., Lv J. Synergistic Reinforcement of Phenol-Formaldehyde Resin Composites by Poly(Hexanedithiol)/Graphene Oxide // J. Mater. Sci. Chem. Eng., 2015. vol. 3, no. 8. pp. 56-70. doi: 10.4236/msce.2015.38009.
  2. Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski C. W., Ruoff R. S. Graphene-based polymer nanocomposites // Polymer, 2011. vol. 52, no. 1. pp. 5-25. doi: 10.1016/j.polymer.2010.11.042.
  3. Jung N., Kwon S., Lee D., Yoon D. M. et. al. Synthesis of Chemically Bonded Graphene/ Carbon Nanotube Composites and their Application in Large Volumetric Capacitance Supercapacitors // Adv. Mater., 2013. vol. 25, no. 47. pp. 6854-6858. doi: 10.1002/adma.201302788.
  4. Kim S. H., Song W., Jung M. W., Kang M. A. et. al. Carbon nanotube and graphene hybrid thin film for transparent electrodes and field effect transistors // Adv. Mater., 2014. vol. 26, no. 25. pp. 4247-4252. doi: 10.1002/adma.201400463.
  5. Kholmanov I. N., Magnuson C. W. , Piner R., Kim J. Y. et. al. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/carbon nanotube films // Adv. Mater., 2015. vol. 27, no. 19. pp. 3053-3059. doi: 10.1002/adma.201500785.
  6. Dong X., Li B., Wei A., Cao X. et. al. One-step growth of graphene-carbon nanotube hybrid materials by chemical vapor deposition // Carbon, 2011. vol. 49, no. 9. pp. 2944-2949. doi: 10.1016/j.carbon.2011.03.009.
  7. Tristán-López F., Morelos-Gómez A., Vega-Diaz S. M., Garcia-Betancourt M. L. et. al. Large area films of alternating graphene-carbon nanotube layers processed in water // ACS Nano, 2013. vol. 7, no. 12. pp. 10788-10798. doi: 10.1021/nn404022m.
  8. Mitrofanov V. V., Slepchenkov M. M., Zhang G., Glukhova O. E. Hybrid Carbon Nanotube-Graphene Monolayer Films: Regularities of Structure, Electronic and Optical Properties // Carbon, 2017. vol. 115. pp. 803-810. doi: 10.1016/j.carbon.2017.01.040.
  9. Yu W. J., Chae S. H., Lee S. Y., Duong D. L., Lee Y. H. Ultra-transparent, flexible single-walled carbon nanotube non-volatile memory device with an oxygen-decorated graphene electrode // Adv. Mater., 2011. vol. 23, no. 16. pp. 1889-1893. doi: 10.1002/adma.201004444.
  10. Zhu Y., Li L., Zhang C., Casillas G. et. al. A seamless three-dimensional carbon nanotube graphene hybrid material // Nat. Commun., 2012. vol. 3, 1225. doi: 10.1038/ncomms2234.
  11. Kakade B. A., Pillai V. K., Late D. J., Chavan P. G. et. al. High current density, low threshold field emission from functionalized carbon nanotube bucky paper // Appl. Phys. Lett., 2010. vol. 97, no. 7, 073102. doi: 10.1063/1.3479049.
  12. Jousseaume V., Cuzzocrea J., Bernier N., Renard V. T. Few Graphene layer/CarbonNanotube composite Grown at CMOS-compatible Temperature // Appl. Phys. Lett., 2011. vol. 98, 123103. doi: 10.1063/1.3569142.
  13. Brenner D. W. Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films // Phys. Rev. B, 1990. vol. 42. pp. 9458-9471. doi: 10.1103/PhysRevB.42.9458.
  14. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S., Kossovich E. L., Zhnichkov R. Y. Super strong nanoindentors for biomedical applications based on bamboo-like nanotubes // Proc. SPIE, 2012. vol. 8233, Reporters, Markers, Dyes, Nanoparticles, and Molecular Probes for Biomedical Applications IV (2 February 2012), 823311. doi: 10.1117/12.907035.
  15. Kolesnikova A. S. Mechanical properties of sorbents depending on nanopore sizes // Phys. Sol. State, 2017. vol. 59, no. 7. pp. 1336-1339. doi: 10.1134/S1063783417070113.
  16. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S. Mechanical and emission properties of thinnest stable bamboolike nanotubes // J. Phys. Conf. Ser., 2012. vol. 393, 012027. doi: 10.1088/1742-6596/393/1/012027.
  17. Lucas A. A., Lambin P. H., Smalley R. E. On the energetics of tubular fullerenes // J. Phys. Chem. Solids, 1993. vol. 54, no. 5. pp. 587-593. doi: 10.1016/0022-3697(93)90237-L.
  18. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S., Slepchenkov M. M., Shmygin D. S. Atomic structure of energetically stable carbon nanotubes/graphene composites // Phys. Sol. State, 2015. vol. 57, no. 5. pp. 1009-1013. doi: 10.1134/S106378341505011X.
  19. Glukhova O. E., Slepchenkov M. M., Shmygin D. S. Nanoindentation of a new graphene/phospholipid composite: a numerical simulation // Proc. SPIE, 2017. vol. 10079, Reporters, Markers, Dyes, Nanoparticles, and Molecular Probes for Biomedical Applications IX (21 February 2017), 1007910. doi: 10.1117/12.2256809.
  20. Глухова О. Е., Гришина О. А., Савостьянов Г. В. Наноиндентирование липопротеинов высокой плотности углеродными нанотрубками: мультимасштабное моделирование // Российский журнал биомеханики, 2014. Т. 18, № 3. С. 367-380.
  21. Глухова О. Е., Шунаев В. В. Исследование прочности на разрыв моно- и бислойного графена // Нано- и микросистемная техника, 2012. № 7(144). С. 25-29.

Statistics

Views

Abstract - 19

PDF (Russian) - 4

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies