Двумерная Модель Рулонных Упаковок Молекулярных Нанолент

Abstract

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...