Предложена молекулярно-механическая модель нанолент графона (графена с односторонней гидроге-низацией), учитывающая деформации валентных связей, валентных и торсионных углов, невалентные ван-дер-ваальсовы и кулоновские взаимодействия атомов наноленты. С использованием модели найдены основные состояния нанолент. Показано, что прямоугольный фрагмент графона на подложке, образованной бесконечным плоским листом графена, формирует плоский монослой, а не взаимодействующий с подложкой фрагмент принимает выпуклую форму, внешняя сторона которой содержит присоединенные атомы водорода. Моделирование динамики показывает устойчивость односторонней структуры листа графона к тепловым колебаниям (при T < 900 K атомы водорода не переходят с одной стороны листа на другую). Неодинаковость сторон приводит к быстрому сворачиванию длинных свободных нанолент графона в рулонные структуры. Тепловые колебания не препятствуют образованию рулонов, а сами рулоны устойчивы к ним. ВведениеВ последнее время большой интерес вызывают раз-личные производные графена (гексагонального моно-слоя атомов углерода) [1-4], такие как графан (полно-стью насыщенный с обеих сторон водородом монослой графена) [5,6] и графон (монослой графена, насыщенный водородом только с одной стороны) [7][8][9]. Главной осо-бенностью листа графона является неэквивалентность его сторон. Наличие присоединенных атомов водорода только на одной его стороне приводит к выпуклости свободного листа и сворачиванию в рулоны длинных нанолент.Гидрогенизация графена может менять его электри-ческие, магнитные и механические свойства [10,11]. Локальная односторонняя гидрогенизация может быть использована для изменения его геометрической струк-туры (создания изломов и выпуклостей) [12].Возможность использования графона в значительной мере зависит от степени устойчивости его односто-ронней структуры к тепловым колебаниям. В первой работе, посвященной теоретическому анализу свойств графона [7], была предсказана его устойчивость при тем-пературе T = 300 K. Проведенное в [13] моделирование динамики графона показало возможность перескоков атомов водорода от одного атома углерода к другому. Моделирование динамики проводилось для малых фраг-ментов графона (в работе [13] была промоделирована динамика кластера C 54 H 60 ).Для анализа долговременной динамики крупных фраг-ментов графона воспользуемся молекулярно-механичес-кой моделью, учитывающей деформации валентных свя-зей, валентных и торсионных углов, а также нева-лентных ван-дер-ваальсовых и кулоновских взаимодей-ствий атомов листа. С помощью метода молекулярной динамики далее показана устойчивость односторонней структуры графона к тепловым колебаниям при темпе-ратуре T < 900 K. Термически активированный переход атома водорода с одной стороны листа на другую возможен, только если не учитывать ван-дер-ваальсовы взаимодействия атомов водорода с атомами углерода. Далее показано, что наноленты графона на подложке имеют плоскую структуру, а отделенные от подложки наноленты быстро сворачиваются в рулонные структу-ры. Тепловые колебания не препятствуют...
Предложена упрощенная модель молекулярной цепи на плоскости, позволяющая описать складчатые и рулонные упаковки молекулярных нанолент различной структуры. С использованием данной модели получены возможные стационарные состояния рулонов однослойных нанолент графена, графана, фто-рографена и фторографана (гидрированного с одной стороны и фторированного с другой стороны графена). Показана их устойчивость и рассчитана энергия как функция длины наноленты. Показано, что при больших длинах рулонная упаковка является наиболее энергетически выгодной конформацией наноленты. Для нанолент фторографена впервые показана возможность существования рулонных упаковок, а для нанолент фторографана -существование двух разных типов рулонов, которые в цепной модели соот-ветствуют левым и правым спиралям Архимеда. Простота предложенной модели позволяет рассматривать динамику рулонов молекулярных нанолент достаточно большой длины и на достаточно больших интервалах времени.Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 16-13-10302). Вычислительные ресурсы предоставлены межведомственным суперкомпьютерным центром РАН. DOI: 10.21883/FTT.2018.04.45700.318 ВведениеВ последнее время проводятся интенсивные исследо-вания графена в различных конформациях, что вызва-но его уникальными электрическими и механическими свойствами [1][2][3][4][5]. Графен является двумерной структу-рой, имеющей рекордные жесткость и прочность на разрыв, но легко изгибающейся в пространстве. В осо-бый класс углеродных наноматериалов можно отнести вторичные структуры (складки, рулоны), устойчивость которых обеспечивают слабые невалентные (ван-дер-ваальсовы) взаимодействия атомов углерода. Еще в 1960 г. было обнаружено, что при использовании гра-фитовой смазки из плоских кусков графита образуются микроскопические рулоны, играющие роль роликовых подшипников и обеспечивающих низкое значение коэф-фициента трения [6]. Нанолента графена, сворачиваясь в рулон, образует новую квазиодномерную структуру, имеющую в поперечном сечении форму усеченной спи-рали Архимеда. Геометрическая форма рулона опреде-ляется балансом выигрыша энергии за счет увеличения числа ван-дер-ваальсовых связей между соприкасающи-мися участками листа графена и потери энергии на изгиб наноленты.Имеется несколько экспериментальных технологий получения рулонов нанолент графена и изучения их структуры и свойств [7][8][9][10][11][12]. Свойства рулонной упа-ковки углеродных нанолент изучались в серии теоре-тических работ. Электрические, оптические и механи-ческие свойства рулонов коротких нанолент модели-ровались из первых принципов [13][14][15]. Механические свойства рулонов из более длинных нанолент и раз-личные сценарии их самосборки описаны с использо-ванием метода молекулярной динамики в работах [16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26]. Механические свойства рулонов длинных нанолент были описаны в рамках континуальной модели упругого стержня свернутого в спираль [16,21,27,28], в которой энергия изгиба стержня компенсируется энергетиче-ским выигрышем от взаимодействия соп...
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.