Ajuste do modo de movimento deslizante de nanotubos de carbono por meio de grupos hidroxila

Resumo

Controlar o movimento dos nanotubos de carbono é fundamental na manipulação de nanodispositivos, incluindo nanorrobôs. Aqui, investigamos o comportamento do movimento de SWCNT (10,10) em substrato de Si utilizando simulações de dinâmica molecular. Mostramos que os grupos hidroxila têm efeito sensível no modo de movimento do nanotubo de carbono. Quando a proporção dos grupos hidroxila nas superfícies do nanotubo de carbono e do substrato de silício é maior do que 10 e 20%, respectivamente, o movimento do nanotubo de carbono se transforma de deslizamento para rolamento. Quando a proporção dos grupos hidroxila é menor, o modo de deslizamento ou rolo pode ser controlado pela velocidade do nanotubo de carbono, que é finalmente determinada pela competição entre a energia potencial de interface e a energia cinética. A mudança do modo de movimento é verdadeira para diferentes nanotubos de carbono com grupos hidroxila. A quiralidade tem pouco efeito no comportamento do movimento, em oposição ao diâmetro, atribuído à proporção dos grupos hidroxila. Nosso estudo sugere uma nova rota para controlar o comportamento do movimento do nanotubo de carbono via grupos hidroxila.

Histórico

Controlar os comportamentos de movimento de sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) e nanorrobôs é uma questão complexa e desafiadora devido aos efeitos de superfície e interface. A estimulação de fontes naturais, sintéticas, físicas e outras fontes de energia pode controlar o movimento mecânico de nano e micromotores [1]. Por exemplo, é possível dirigir nanocarros não polares unidirecionalmente [2] e moléculas de quatro rodas direcionalmente com a ajuda de um campo elétrico externo [3] e dirigir nanocarros moleculares termicamente de forma direcional [4].

Os nanotubos de carbono desempenham um papel importante no NEMS por causa de suas excelentes propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Nanodispositivos baseados em nanotubos de carbono, como nanogears [5], nanomotores [6, 7], nanobearings [8, 9] e atuadores eletromecânicos em nanoescala [10] foram projetados. No entanto, ajustar o movimento desses nanodispositivos ainda é uma questão em aberto. Documentos de pesquisa relataram que gradiente térmico foi usado para acionar os nanotubos coaxiais [11]. Enquanto isso, os pesquisadores estudaram os fatores que podem influenciar o comportamento do movimento dos nanotubos de carbono, incluindo o estado comensurado ou incomensurado entre as interfaces [12], a deformação dos nanotubos de carbono [13,14,15] e os grupos introduzidos, como hidrogênios em as extremidades de um motor [16]. Entre esses fatores, a introdução de grupos funcionais em nanotubos de carbono é relativamente fácil de alcançar. Os pesquisadores estudaram as propriedades de movimento e fricção de nanotubos de carbono fluorados de superfície [17], camadas de óxido de grafeno com diferentes grupos funcionais [18] e grafeno hidrogenado [19, 20]. No entanto, o efeito da introdução de grupos hidroxila no comportamento de movimento dos nanotubos de carbono não foi relatado até agora. Este artigo demonstra que a introdução de grupos hidroxila pode ajustar o comportamento de rolamento ou deslizamento do nanotubo de carbono. Nosso estudo pode lançar luz sobre o movimento controlado direcionalmente de sofisticados sistemas mecânicos moleculares baseados em nanotubos de carbono, como nanogear cremalheira e pinhão. Além disso, para outros nanomateriais cilíndricos, como os nanoscrolls que apresentam grande potencial [21], os resultados também fornecem uma forma possível para o controle de seu movimento.

Métodos

Os modelos de simulação são compostos por nanotubos de carbono de parede simples (10,10) (SWCNTs) e substrato de Si. Três estruturas diferentes são consideradas, como mostrado na Fig. 1. O modelo a é um modelo de simulação ideal (Fig. 1a), que inclui nanotubo de carbono orientado horizontalmente e substrato de Si. O modelo b é composto de nanotubo de carbono e substrato de Si coberto por grupo hidroxila (Fig. 1b). O modelo c também é composto de nanotubo de carbono e substrato de Si, mas ambas as partes são cobertas por grupos hidroxila nas superfícies (Fig. 1c). O conteúdo de grupos hidroxila no substrato de Si refere-se à razão entre o número de grupos hidroxila e o número de átomos de Si na superfície do substrato de Si. A dimensão do substrato de Si (0 0 1) é de 8,01 nm no x direção e 7,98 nm no y direção. O substrato de Si consiste em 5400 átomos de Si.

Modelos de simulação. a Ideal. b Substrato de Si coberto com grupos hidroxila. c Nanotubo de carbono e substrato de Si são ambos cobertos com grupos hidroxila

O potencial AIREBO [22] e o potencial TERSOFF [23] são aplicados para descrever as interações entre os átomos de C dentro do nanotubo de carbono e aqueles entre os átomos de Si dentro do substrato, respectivamente. Uma vez que os átomos de O não são considerados no potencial AIREBO, um campo de força OPLS é empregado para descrever Si – O – H no substrato de Si e C – O – H no nanotubo de carbono [24,25,26,27]. A ligação de hidrogênio entre as interfaces no modelo c é calculada pelo campo de força DREIDING [28]. A força de Van der Waals entre o nanotubo de carbono e o substrato de Si é descrita pelo potencial Classic 12-6 Lennard-Jones (L-J) [29]. Os parâmetros para C, H e O podem ser encontrados na literatura [25], e os parâmetros para Si estão na literatura [28]. O movimento do nanotubo de carbono aqui apresentado é simulado pelo Simulador Atômico / Molecular Massivamente Paralelo em Grande Escala (LAMMPS) [30]. Todas as simulações são realizadas no conjunto canônico (NVT). A temperatura do sistema é de 300 K. Comparando os resultados usando o termostato Nosé-Hoover e o termostato Langevin no modelo a, mostra que o termostato Langevin quase influencia o movimento do nanotubo de carbono e faz o sistema atingir o equilíbrio mais fácil. Portanto, o termostato Langevin é adotado nas simulações. O coeficiente de amortecimento do termostato Langevin, t _r , que se refere à contribuição de forças aleatórias na equação de Langevin, é fixada em 0,1 ps para todos os casos [31]. Os átomos da camada inferior do substrato de Si são fixados para simular o wafer de Si. As condições de contorno periódicas são aplicadas ao longo do x e y instruções. Para conduzir o mesmo limite periódico para nanotubo de carbono e substrato de Si no y direção, substrato de Si é comprimido 1,90% ao longo do y direção, que é pequena; portanto, a influência no movimento do nanotubo de carbono pode ser ignorada. A integração numérica das equações da dinâmica é realizada pelo algoritmo Velocity-Verlet com intervalo de tempo de 0,001 ps. O processo de simulação é o seguinte. Primeiro, a estrutura do sistema de simulação é otimizada por meio da minimização de energia. Em seguida, o relaxamento é conduzido por 100 ps para garantir que o sistema alcance o equilíbrio. Finalmente, uma velocidade constante ou uma força constante no nanotubo de carbono ao longo do x a direção é definida para fazê-lo mover-se no substrato de Si. A velocidade constante ao longo do x direção é conduzida definindo a força lateral do centro do nanotubo de carbono zero.

Resultados e discussão

Primeiro, definimos uma velocidade de translação constante de 10 m / s para o nanotubo de carbono no x direção. Em ambos os modelos aeb, o nanotubo de carbono desliza no substrato. No entanto, a rolagem ocorre no modelo c, onde o nanotubo de carbono e o substrato de Si são ambos cobertos com grupos hidroxila. Quando a proporção dos grupos hidroxila de nanotubo de carbono e substrato de Si são ambos de 10%, o nanotubo de carbono rola no substrato de Si, acompanhado por um ligeiro deslizamento (Arquivo adicional 1:Filme S1). Além disso, se a proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si for de 10 e 20%, respectivamente, o nanotubo de carbono continua rolando no substrato de Si durante o tempo de simulação (Arquivo adicional 2:Filme S2). A Figura 2a mostra a trajetória de movimento tridimensional de um átomo de C no nanotubo de carbono quando a proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é de 10 e 20%, respectivamente. O movimento do átomo C representa o movimento do nanotubo de carbono porque o nanotubo de carbono não mudará sua forma obviamente. Coordenada do nanotubo de carbono no z a direção se move para cima e para baixo obviamente, e o máximo de z o deslocamento é de cerca de 1,3 nm, que é semelhante ao diâmetro do SWCNT (10,10) de 1,38 nm. O resultado indica o movimento de rolar. O nanotubo de carbono se move cerca de 10,8 nm no x direção. Porque a velocidade constante de 10 m / s no x direção é aplicada ao nanotubo de carbono, o que faz o nanotubo de carbono se mover 9,5 nm no x direção durante o processo de movimento de 950 ps. Portanto, a distância de movimento extra no x direção é 1,3 nm. O valor é igual ao máximo do deslocamento z, o que indica que o rolamento é dominante no movimento. Além disso, o ligeiro deslizamento no y direção também ocorre. A razão pode ser atribuída à força de desequilíbrio ao longo da direção axial do nanotubo de carbono devido à distribuição aleatória de grupos hidroxila, o que faz o nanotubo de carbono deslizar ao longo do y direção. O fenômeno semelhante pode ser encontrado em outro trabalho de pesquisa [31]. Quando a proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si muda para 5% e 5% e 5% e 10%, o movimento do nanotubo de carbono se torna diferente. A Figura 2b mostra a posição de um átomo de C no z direção quando a razão dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% e 10% / 20%, respectivamente. Nos casos em que a proporção dos grupos hidroxila é de 5% / 5% e 5% / 10%, o deslizamento é o principal movimento, acompanhado por um leve rolamento. No caso em que a proporção dos grupos hidroxila é de 5% / 5%, o nanotubo de carbono desliza cerca de 500 ps acompanhado por uma leve rolagem e, em seguida, rola cerca de 500 ps. No caso em que a proporção dos grupos hidroxila é de 5% / 10%, o nanotubo de carbono desliza cerca de 500 ps com um leve rolamento e, em seguida, continua deslizando.

a A trajetória de movimento tridimensional de um átomo de C em um nanotubo de carbono. A proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é de 10 e 20%, respectivamente. b A coordenada de um átomo de C no nanotubo de carbono no z direção em função do tempo. A proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% e 10% / 20%, respectivamente

Arquivo adicional 1:Filmes S1 . (AVI 4439 kb)

Arquivo adicional 2:Filmes S2 . (AVI 4929 kb)

Para estabelecer o mecanismo de mudança do modo de movimento devido aos grupos hidroxila, examinamos a energia potencial da interface sob diferentes condições, uma vez que o comportamento do movimento dos SWCNTs é influenciado pela barreira do potencial da interface [15]. As energias potenciais interfaciais entre o nanotubo de carbono e o substrato de Si nos modelos a e c são exibidas na Fig. 3a, b, que é obtida permitindo que o nanotubo de carbono deslize sobre o substrato por 20,0 e 20,0 nm ao longo do x e y direções, respectivamente, após o relaxamento. No modelo c, o caso com a proporção de grupos hidroxila de nanotubo de carbono e substrato de Si 10% / 20% é selecionado porque o nanotubo de carbono continua rolando sob esta condição. No modelo ideal a, devido ao estado incomensurado entre o nanotubo de carbono e o substrato de Si, a distribuição da energia potencial entre as interfaces é uniforme. Como resultado, o nanotubo de carbono desliza no substrato. No entanto, no modelo c, a interação de grupos hidroxila entre interfaces leva a uma enorme mudança de energia potencial interfacial. O pico da barreira de potencial local chega a atingir a ordem de 10 ⁷ eV. A distribuição aleatória de grupos hidroxila causa a distribuição uniforme da barreira de alto potencial. Portanto, o nanotubo de carbono não pode cruzar a barreira de potencial diretamente, resultando em rolagem para reduzir a barreira de potencial interfacial. Como a barreira potencial cobre toda a superfície devido à distribuição aleatória de grupos hidroxila, o nanotubo de carbono continua rolando ao longo do x direção. Para os casos em que a proporção de grupos hidroxila de nanotubo de carbono e substrato de Si é 5% / 5%, 5% / 10% e 10% / 10%, sua barreira potencial é relativamente menor do que o caso em que os grupos hidroxila a proporção é de 10% / 20%. A razão é que menos grupos hidroxila na interface resultam em interação mais fraca. Quando a energia cinética do nanotubo de carbono é maior do que a barreira, ele desliza. Caso contrário, o nanotubo de carbono começa a rolar.

a , b A energia potencial interfacial entre nanotubo de carbono e substrato de Si. a Modelo ideal. b A proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é de 10% / 20%. c O atrito médio no nanotubo de carbono nos seis casos. A inserção mostra o atrito do nanotubo de carbono com o tempo em três casos nos modelos a, b e c. A proporção dos grupos hidroxila de nanotubo de carbono e substrato de Si nos modelos b e c é 0/10% e 10% / 10%, respectivamente. d Os números médios das ligações de hidrogênio nos seis casos em c

A introdução de grupos hidroxila entre interfaces influencia não apenas o movimento do nanotubo de carbono, mas também o atrito entre as interfaces. A Figura 3c mostra o atrito médio no nanotubo de carbono em seis casos, onde a proporção dos grupos hidroxila do nanotubo de carbono e substrato de Si é 0/0, 0/10%, 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% e 10% / 20%, respectivamente. Os resultados mostram que o atrito médio aumenta significativamente com a proporção dos grupos hidroxila. Nos modelos aeb, a força de atrito média é quase zero. Como a rugosidade da superfície aumenta devido à introdução de grupos hidroxila, o atrito médio no modelo b é maior do que no modelo ideal a. A inserção na Fig. 3c mostra que a flutuação da força lateral no modelo b é maior do que no modelo a. No modelo c, como o nanotubo de carbono e o substrato de Si são grupos hidroxila enxertados, a flutuação da força lateral e o atrito médio são significativamente maiores do que aqueles nos modelos a e b. Quando a proporção dos grupos hidroxila é de 10% / 20%, o atrito médio aumenta para cerca de 2,19 nN.

Para uma visão mais aprofundada do mecanismo de atrito e comportamento do movimento, estudamos as ligações químicas durante o movimento. Observamos que ligações de hidrogênio se formam entre grupos hidroxila em interfaces. Os números médios das ligações de hidrogênio correspondentes nesses seis casos são ilustrados na Figura 3d. O incremento do número de ligações de hidrogênio leva a uma barreira de potencial mais alta e atrito com o aumento da proporção dos grupos hidroxila. Isso significa que a ligação de hidrogênio teve grande influência no atrito [32].

O comportamento do movimento do nanotubo de carbono é influenciado não apenas pelos grupos hidroxila entre as interfaces, mas também pela velocidade dos nanotubos de carbono, especialmente quando uma barreira de potencial interfacial é relativamente baixa devido ao pequeno número de grupos hidroxila interfaciais. Com o nanotubo de carbono a velocidades de 20, 50, 70 m / s, a Fig. 4a mostra a coordenada de um átomo de C no z direção quando a proporção dos grupos hidroxila de nanotubo de carbono e substrato de Si é 5% / 5%. À velocidade de 20 m / s, o rolamento domina o movimento do nanotubo de carbono. À velocidade de 50 m / s, o nanotubo de carbono se move 50 nm no x direção e rolos para uma rodada, o que significa que o deslizamento e o rolamento ocorrem alternadamente. Na velocidade de 70 m / s, o nanotubo de carbono desliza principalmente no substrato acompanhado de um leve rolamento. A razão é semelhante à de que os grupos hidroxila introduzidos entre as superfícies podem ajustar o movimento do nanotubo de carbono. Como a barreira da interface é relativamente baixa, quando a energia cinética do nanotubo de carbono é grande, o nanotubo de carbono passa diretamente por ele. No entanto, quando a energia cinética é baixa, o nanotubo de carbono tende a rolar para diminuir a barreira da interface. Além disso, a curva da força de atrito média com a velocidade do nanotubo de carbono quando a razão dos grupos hidroxila é 5% / 5% é mostrada na Fig. 4b. O atrito diminui com a velocidade, o que é consistente com o trabalho experimental de outros pesquisadores [32].

a A coordenada de um átomo de C no nanotubo de carbono no z direção em função do tempo quando o nanotubo de carbono se move a velocidades de 20, 50 e 70 m / s. b A curva das forças médias de atrito com as velocidades do nanotubo de carbono. c A coordenada de um átomo de C no nanotubo de carbono no z direção quando a razão dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é 5% / 10%. A força externa constante aplicada no nanotubo de carbono é 0,000625 nN no x direção

Um resultado semelhante pode ser obtido aplicando uma força externa constante no nanotubo de carbono no x direção. Por outro lado, quando a força externa é grande, o nanotubo de carbono apenas desliza no substrato. Por outro lado, se a força for muito pequena, o nanotubo de carbono não pode se mover. Como resultado, há uma transição roll-slide sob uma força externa constante de 0,000625nN. A Figura 4c mostra a coordenada de um átomo de C no nanotubo de carbono no z direção quando a proporção dos grupos hidroxila de nanotubo de carbono e substrato de Si é 5% / 10%. O resultado mostra que a coordenada do átomo C no z a direção aumenta obviamente no primeiro estágio, o que indica um modo de rolamento. Então, a coordenada no z a direção não muda muito no estágio posterior, o que significa que o modo deslizante domina o movimento. O motivo é que a energia cinética do nanotubo de carbono no início é pequena, não sendo capaz de superar a barreira da interface diretamente, resultando em rolagem. Com o aumento da energia cinética do nanotubo de carbono, seu comportamento de movimento se transforma de rolo para deslizar.

Investigamos ainda mais a influência do ângulo quiral, diâmetro e comprimento dos nanotubos de carbono em seus comportamentos de movimento. Primeiro, examinamos o efeito do ângulo quiral usando cinco configurações, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6) e SWCNT (15,0), que têm ângulos variáveis, mas têm quase os mesmos diâmetros. Os resultados mostram que seu comportamento de movimento é o mesmo de SWCNT (10,10), indicando que o efeito do ângulo quiral no comportamento de movimento de nanotubos de hidroxila de carbono enxertados pode ser desprezado. Em seguida, selecionamos SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) e SWCNT (25,25) para estudar a influência do diâmetro. Os resultados dos modelos aeb são semelhantes aos do SWCNT (10,10). Porém, no modelo c, os resultados são diferentes do SWCNT (10,10). Quando o modo de movimento de SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) e SWCNT (25,25) muda para rolagem contínua, a proporção dos grupos hidroxila é de 10% / 25%, 15% / 30% e 20% / 30%, respectivamente. Quanto maior o diâmetro, maior a proporção dos grupos hidroxila quando o modo de movimento muda. O motivo pode ser atribuído à mudança da área de contato da interface. As estruturas de interface mostram que SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) e SWCNT (25,25) possuem uma plataforma na parte inferior, como mostrado na Fig. 5, o que causa o maior atrito e a dificuldade de rolar. Uma proporção mais alta de grupos hidroxila oferece uma interação de interface mais forte e, finalmente, resulta na ocorrência de rolagem. SWCNT (7,7) e SWCNT (10,10) não possuem plataforma na parte inferior e, portanto, o comportamento de movimento do SWCNT (7,7) é quase o mesmo do SWCNT (10,10). Por fim, exploramos o efeito do comprimento no movimento alterando o comprimento de SWCNT (10,10). Três comprimentos, 21,7, 54,3 e 81,4 nm, são explicitamente examinados. Descobrimos que o comportamento do movimento de SWCNT (10,10) com o comprimento de 21,7 nm é consistente com o modelo inicial c. No entanto, em casos com comprimentos de 54,3 e 81,4 nm, eles exibem uma ligeira deformação por flexão durante o processo de laminação devido à grande relação de aspecto entre o comprimento e o diâmetro.

A estrutura do nanotubo de carbono em substrato de Si. a SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25)

Conclusões

Em resumo, revelamos que a introdução de grupos hidroxila entre as interfaces leva à formação de ligações de hidrogênio, o que aumenta a barreira da interface e o atrito. O modo de movimento (slide ou roll) do nanotubo de carbono no substrato de Si pode ser ajustado pela razão dos grupos hidroxila introduzidos nas interfaces e a velocidade do nanotubo de carbono. Quando a proporção dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si são pequenos (<10% / 20%), o movimento do nanotubo de carbono depende da barreira de potencial de interface e da energia cinética. Se a energia cinética do nanotubo de carbono for alta, o nanotubo de carbono desliza no substrato. Caso contrário, o nanotubo de carbono tende a rolar para diminuir a barreira. Quando a razão dos grupos hidroxila no nanotubo de carbono e substrato de Si é superior a 10% / 20%, em que a barreira de energia potencial interfacial é muito alta, o nanotubo de carbono continua rolando. O ajuste do modo de movimento é viável para CNTs com diferentes ângulos quirais, comprimentos e diâmetros, ajustando a proporção dos grupos hidroxila. O efeito do grupo hidroxila no modo de movimento do nanotubo de carbono pode ser usado para controlar o movimento do CNT, e nanodispositivos programáveis podem ser fabricados.

Abreviações

LAMMPS:: Simulador Atômico / Molecular Massivamente Paralelo em Grande Escala
NEMs:: Sistemas nanoeletromecânicos
SWCNTs:: Nanotubos de carbono de parede única

Redução do óxido de grafeno a baixa temperatura:Condutância elétrica e microscopia de varredura de força de sonda Kelvin Projeto de absorvedor de metamaterial Terahertz Quad-Band usando um ressonador retangular perfurado para aplicações de detecção

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias