Исследование прогиба композита «УНТ-графен» с использованием молекулярно-динамического моделирования



Цитировать

Полный текст

Аннотация

В последнее время графен и наноматериалы на его основе используются в области биомедицины в качестве материала для биосенсорики. Основными компонентами в биосенсорах являются датчики, которые должны быть гибкими, масштабируемыми, чувствительными и надежными. Деформация материала изменяет его электрическое сопротивление, поэтому исследование механических свойств композитов, состоящих из нанотрубок и графена, является важной задачей. В настоящее время осуществляется активная разработка методик синтеза композитов, состоящих из графена и параллельно ему ориентированных нанотрубок. В связи с этим в данной работе проведено теоретическое исследование зависимости изгибающей силы от поперечного смещения атомов в центре композитного материала, состоящего из графена и параллельно ему ориентированных (8, 0) zigzag-нанотрубок. Выбор нанотрубки с хиральностью (8, 0) для исследования в данной работе обусловлен минимальным диаметром нанотрубок, входящих в состав композита данного типа. Устойчивость композита оценивалась путем расчета по величине энтальпии и связывалась с отрицательными ее значениями. Установлено, что энтальпия не изменяется в зависимости от расстояния между осями, вдоль которых ориентированы нанотрубки, входящие в состав композитов. Композитный материал удерживается с двух краев опорами при отсутствии подложки. Поиск равновесного состояния структуры определялся методом молекулярной механики с использованием энергетического потенциала Бреннера в рамках метода молекулярной динамики. Математическое моделирование действия иглы атомно-силового микроскопа осуществлялось при помощи однослойной углеродной нанотрубки типа armchair. Взаимодействие между armchair-нанотрубкой и композитом осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса. Нанотрубки типа armchair удобны для их использования в качестве иглы атомно-силового микроскопа, потому что их край не имеет острых углов (в отличие от трубок типа zigzag), т. е. при контакте будут наноситься минимальные повреждения системе. Приводятся результаты расчетов для зависимости энтальпии от диаметра нанотрубок, стрелы прогиба в центре пластины из композитного материала «УНТ-графен» от приложенной силы при изгибе. Показано, что исследуемые в данной работе нанокомпозиции энергетически устойчивы.

Полный текст

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
×

Об авторах

Анна Сергеевна Колесникова

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: Kolesnikova.88@mail.ru
кандидат физико-математических наук; доцент; каф. математической теории упругости и биомеханики Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Ирина Васильевна Кириллова

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: ivkirillova@yandex.ru
кандидат физико-математических наук; директор; научно образовательный институт наноструктур и биосистем Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Гайк Артурович Барегамян

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: baregaik@gmail.com
аспирант; каф. математической теории упругости и биомеханики Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Леонид Юрьевич Коссович

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: president@sgu.ru
доктор физико-математических наук; заведующий кафедрой; каф. математической теории упругости и биомеханики Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Самарский государственный технический университет, 2018

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах