Regulación del Movimiento Deslizamiento-Rodadura de Nanotubos Carbono mediante Funcionalización Hidroxilo

Resumen

Controlar movimiento nanotubos carbono es crítico en manipulación nanodispositivos, incluyendo nanorobots. Aquí investigamos comportamiento movimiento SWCNT (10,10) sobre sustrato Si usando simulaciones dinámica molecular. Mostramos que grupos hidroxilo tienen efecto sensible en modo movimiento nanotubo. Cuando ratio grupos hidroxilo en superficies nanotubo y sustrato Si es >10 % y >20 % respectivamente, movimiento transforma de deslizamiento a rodadura. Cuando ratio menor, modo deslizamiento/rodadura controlable por velocidad nanotubo, determinada finalmente por competencia entre energía potencial interfacial y energía cinética. Cambio modo movimiento vale para diferentes nanotubos con grupos hidroxilo. Quiralidad poco efecto en comportamiento movimiento, opuesto a diámetro, atribuido a ratio grupos hidroxilo. Nuestro estudio sugiere nueva ruta controlar comportamiento movimiento nanotubo carbono vía grupos hidroxilo.

Antecedentes

Controlar comportamientos movimiento sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y nanorobots es complejo y desafiante debido efectos superficie e interfaz. Estimulación fuentes naturales, sintéticas, físicas y otras puede controlar movimiento mecánico nano- y micromotores. Por ejemplo, posible impulsar nanocoches no polares unidireccionalmente y moléculas cuatro ruedas direccionalmente con campo eléctrico externo y impulsar térmicamente nanocoches moleculares direccionalmente.

Nanotubos carbono juegan papel importante NEMS por excelentes propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Nanodispositivos basados nanotubos como nanoengranajes, nanomotores, nanorrodamientos y actuadores nanoelectromecánicos se han diseñado. Sin embargo, sintonizar movimiento estos nanodispositivos sigue pregunta abierta. Investigaciones reportaron gradiente térmico usado actuar nanotubos coaxiales. Mientras, investigadores estudiaron factores que influyen comportamiento movimiento nanotubos, incluyendo estado comensurable/incomensurable entre interfaces, deformación nanotubos, y grupos introducidos como hidrógenos en extremos motor. Entre estos, introducir grupos funcionales nanotubos es relativamente fácil. Investigadores estudiaron movimiento y fricción nanotubos fluorados superficie, capas óxido grafeno con diferentes grupos funcionales, e hidrogenado grafeno. Sin embargo, efecto grupos hidroxilo introducidos en comportamiento movimiento nanotubos no reportado hasta ahora. Este artículo demuestra introducción grupos hidroxilo puede sintonizar comportamiento rodadura/deslizamiento nanotubo. Nuestro estudio puede arrojar luz sobre movimiento controlado direccionalmente sistemas mecánicos moleculares sofisticados basados nanotubos, como nanoengranaje cremallera-pinión. Además, otros nanomateriales cilíndricos, como nanoscrolls gran potencial, resultados proveen posible forma control su movimiento.

Métodos

Modelos simulación compuestos nanotubos carbono monocapa (10,10) (SWCNTs) y sustrato Si. Tres estructuras consideradas, Fig. 1. Modelo a ideal (Fig. 1a), incluye nanotubo orientado horizontalmente y sustrato Si. Modelo b compuesto nanotubo e hidroxilo-cubierto sustrato Si (Fig. 1b). Modelo c también compuesto nanotubo y Si, pero ambas partes cubiertas hidroxilo superficies (Fig. 1c). Contenido hidroxilo sustrato Si refiere ratio número hidroxilo / número átomos Si superficie. Dimensión Si (0 0 1) 8,01 nm dirección x y 7,98 nm dirección y. Sustrato Si consiste 5400 átomos Si.

Modelos simulación. a Ideal. b Sustrato Si cubierto hidroxilo. c Nanotubo y sustrato Si ambos cubiertos hidroxilo.

Potencial AIREBO y TERSOFF describen interacciones átomos C dentro nanotubo y átomos Si dentro sustrato, respectivamente. Como átomos O no considerados en AIREBO, campo fuerzas OPLS empleado describir Si–O–H sustrato y C–O–H nanotubo. Enlace hidrógeno entre interfaces modelo c calculado campo fuerzas DREIDING. Fuerza Van der Waals entre nanotubo y sustrato Si descrito potencial Lennard-Jones 12-6 clásico. Parámetros C, H, O en literatura [25], Si en [28]. Movimiento nanotubo simulado Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). Todas simulaciones ensemble canónico (NVT). Temperatura sistema 300 K. Comparando resultados termostato Nosé-Hoover y Langevin modelo a, muestra termostato Langevin apenas influye movimiento nanotubo y sistema alcanza equilibrio más fácil. Por tanto, termostato Langevin adoptado. Coeficiente amortiguamiento termostato Langevin, t_r, referido contribución fuerzas aleatorias ecuación Langevin, fijado 0,1 ps todos casos. Capa inferior átomos Si sustrato fijos simular oblea Si. Condiciones frontera periódicas aplicadas direcciones x e y. Conducir misma condición frontera periódica nanotubo y sustrato dirección y, sustrato Si comprimido 1,90 % dirección y, influencia despreciable. Integración numérica ecuaciones dinámica algoritmo Velocity-Verlet paso tiempo 0,001 ps. Proceso: primero, optimización estructura sistema minimización energía. Luego, relajación 100 ps asegurar equilibrio. Finalmente, velocidad constante o fuerza constante nanotubo dirección x para mover sobre sustrato. Velocidad constante dirección x lograda fuerza lateral centro nanotubo cero.

Resultados y Discusión

Primero establecimos velocidad translacional constante 10 m/s nanotubo dirección x. En modelos a y b, nanotubo desliza sustrato. Sin embargo, rodadura ocurre modelo c donde nanotubo y sustrato ambos cubiertos hidroxilo. Cuando ratio hidroxilo nanotubo y sustrato ambos 10 %, nanotubo rueda sustrato, acompañado ligero deslizamiento (Archivo adicional 1: Movie S1). Además, si ratios 10 % y 20 % respectivamente, nanotubo mantiene rodadura durante tiempo simulación (Archivo adicional 2: Movie S2). Figura 2a muestra trayectoria tridimensional átomo C nanotubo cuando ratios 10 % y 20 %. Movimiento átomo C representa movimiento nanotubo porque no cambia forma obviamente. Coordenada nanotubo dirección z sube/baja obviamente, máximo desplazamiento z ~1,3 nm, similar diámetro SWCNT (10,10) 1,38 nm. Resultado indica rodadura. Nanotubo mueve ~10,8 nm dirección x. Velocidad constante 10 m/s hace mover 9,5 nm dirección x durante 950 ps. Distancia extra dirección x 1,3 nm, igual máximo desplazamiento z, indica rodadura dominante. Además, ligero deslizamiento dirección y ocurre. Razón atribuible desequilibrio fuerza dirección axial nanotubo debido distribución aleatoria hidroxilo, hace deslizar dirección y. Fenómenos similares en otro trabajo [31]. Cuando ratios cambian 5 %/5 % y 5 %/10 %, movimiento diferente. Figura 2b muestra posición átomo C dirección z ratios 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 %, 10 %/20 %. Casos 5 %/5 % y 5 %/10 %, deslizamiento mayoritario, acompañado ligera rodadura. Caso 5 %/5 %, nanotubo desliza ~500 ps acompañado ligera rodadura luego rueda ~500 ps. Caso 5 %/10 %, desliza ~500 ps con ligera rodadura luego sigue deslizando.

a Trayectoria 3D átomo C nanotubo. Ratios hidroxilo 10 % y 20 %. b Coordenada átomo C dirección z vs tiempo. Ratios 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 %, 10 %/20 %.

Archivo adicional 1: Movie S1. (AVI 4439 kb)

Archivo adicional 2: Movie S2. (AVI 4929 kb)

Para establecer mecanismo cambio modo movimiento por hidroxilo, examinamos energía potencial interfacial bajo diferentes condiciones, ya que comportamiento SWCNTs influenciado por barrera potencial interfacial [15]. Energías potenciales interfaciales nanotubo-sustrato modelos a y c mostradas Fig. 3a, b, obtenidas permitiendo nanotubo deslizar sobre sustrato 20,0 nm direcciones x e y tras relajación. Modelo c, caso ratio 10 %/20 % seleccionado porque nanotubo mantiene rodadura. Modelo ideal a, por estado incomensurable nanotubo-sustrato, distribución energía potencial interfacial uniforme. Resultado: nanotubo desliza. Sin embargo, modelo c, interacción hidroxilo entre interfaces causa enorme cambio energía potencial interfacial. Pico barrera potencial local alcanza orden 10⁷ eV. Distribución aleatoria hidroxilo causa distribución uniforme barrera alta potencial. Por tanto, nanotubo no puede cruzar barrera directamente, resultando rodadura reducir barrera interfacial. Como barrera cubre toda superficie por distribución aleatoria hidroxilo, nanotubo sigue rodando dirección x. Casos ratios 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 %, barrera potencial relativamente menor que caso 10 %/20 %. Razón: menos hidroxilo interfaz resulta interacción más débil. Cuando energía cinética nanotubo > barrera, desliza. De lo contrario, nanotubo tiende rodar reducir barrera.

a, b Energía potencial interfacial nanotubo-Su. a Modelo ideal. b Ratio hidroxilo 10 %/20 %. c Fricción promedio nanotubo seis casos. Inset muestra fricción nanotubo tiempo tres casos modelos a, b, c. Ratios hidroxilo modelos b y c 0/10 % y 10 %/10 %. d Números promedio enlaces hidrógeno seis casos c.

Introducción hidroxilo entre interfaces influye no solo movimiento sino también fricción. Figura 3c muestra fricción promedio nanotubo seis casos, ratios 0/0, 0/10 %, 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 %, 10 %/20 %. Resultados exhiben fricción promedio aumenta significativamente con ratio hidroxilo. Modelos a y b, fuerza fricción promedio casi cero. Rugosidad superficie aumenta por hidroxilo, fricción promedio modelo b > modelo a. Inset Fig. 3c muestra fluctuación fuerza lateral modelo b > modelo a. Modelo c, nanotubo y sustrato ambos injertados hidroxilo, fluctuación fuerza lateral y fricción media significativamente mayores modelos a y b. Ratio 10 %/20 %, fricción media ~2,19 nN.

Para insights más profundos mecanismo fricción y movimiento, estudiamos enlaces químicos durante movimiento. Observamos enlaces hidrógeno forman entre hidroxilos interfaces. Números promedio enlaces hidrógeno seis casos ilustrados Fig. 3d. Incremento número enlaces hidrógeno conduce mayor barrera potencial y fricción con aumento ratio hidroxilo. Acorde con gran influencia enlace hidrógeno fricción [32].

Comportamiento movimiento nanotubo influenciado no solo por hidroxilo interfaces sino también velocidad nanotubo, especialmente cuando barrera potencial interfacial relativamente baja por pequeño número hidroxilos interfaciales. Con velocidades 20, 50, 70 m/s, Fig. 4a muestra coordenada átomo C dirección z ratio 5 %/5 %. Velocidad 20 m/s, rodadura domina. 50 m/s, nanotubo mueve 50 nm dirección x y rueda una vuelta, deslizamiento y rodadura alternan. 70 m/s, nanotubo principalmente desliza sustrato acompañado ligera rodadura. Razón similar: hidroxilo entre superficies sintoniza movimiento. Como barrera interfacial relativamente baja, cuando energía cinética nanotubo grande, cruza directamente. Cuando baja, tiende rodar reducir barrera. Curva fuerza fricción media vs velocidad ratio 5 %/5 % Fig. 4b. Fricción disminuye con velocidad, consistente trabajos experimentales otros investigadores [32].

a Coordenada átomo C dirección z vs tiempo velocidades 20, 50, 70 m/s. b Curva fuerzas fricción medias vs velocidades. c Coordenada átomo C dirección z ratio 5 %/10 %. Fuerza externa constante 0,000625 nN dirección x.

Resultado similar aplicando fuerza externa constante dirección x. Por un lado, fuerza grande, nanotubo solo desliza. Por otro, fuerza demasiado pequeña, nanotubo no mueve. Resultado: transición rodadura-deslizamiento bajo fuerza externa 0,000625 nN. Figura 4c muestra coordenada átomo C dirección z ratio 5 %/10 %. Resultado: coordenada z aumenta obviamente primera etapa, indicando modo rodadura. Luego, coordenada z no cambia mucho etapa posterior, significa deslizamiento domina. Razón: energía cinética nanotubo pequeña comienzo, no superar barrera directamente, resultando rodadura. Con aumento energía cinética, comportamiento transforma rodadura a deslizamiento.

Investigamos influencia ángulo quiral, diámetro y longitud nanotubos en comportamientos movimiento. Primero, efecto ángulo quiral cinco configuraciones: SWCNT (11,9), (12,8), (13,7), (14,6), (15,0), ángulos variables pero diámetros casi iguales. Resultados muestran mismo comportamiento SWCNT (10,10), indicando efecto ángulo quiral en comportamiento movimiento nanotubos injertados hidroxilo despreciable. Luego, seleccionamos SWCNT (7,7), (15,15), (20,20), (25,25) estudiar influencia diámetro. Resultados modelos a y b similares SWCNT (10,10). Sin embargo, modelo c resultados diferentes. Cuando modo movimiento SWCNT (15,15), (20,20), (25,25) cambia rodadura continua, ratios hidroxilo 10 %/25 %, 15 %/30 %, 20 %/30 % respectivamente. Mayor diámetro, mayor ratio hidroxilo cuando modo cambia. Razón atribuible cambio área contacto interfacial. Estructuras interfaciales muestran SWCNT (15,15), (20,20), (25,25) todos tienen plataforma inferior, Fig. 5, causa mayor fricción y dificultad rodar. Mayor ratio hidroxilo ofrece interacción interfacial más fuerte y finalmente resulta ocurrencia rodadura. SWCNT (7,7) y (10,10) no tienen plataforma inferior, entonces comportamiento movimiento SWCNT (7,7) casi mismo (10,10). Finalmente, exploramos efecto longitud movimiento cambiando longitud SWCNT (10,10). Tres longitudes 21,7, 54,3, 81,4 nm examinadas. Comportamiento 21,7 nm consistente modelo c inicial. Casos 54,3 y 81,4 nm exhiben ligera deformación flexión durante rodadura debido gran relación aspecto longitud/diámetro.

Estructura nanotubo sustrato Si. a SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25).

Conclusiones

En resumen, revelamos introducción grupos hidroxilo entre interfaces conduce formación enlaces hidrógeno, aumentando barrera interfacial y fricción. Modo movimiento (deslizamiento/rodadura) nanotubo sobre sustrato Si sintonizable por ratio hidroxilo introducido interfaces y velocidad nanotubo. Cuando ratios hidroxilo nanotubo y sustrato pequeños (<10 %/20 %), movimiento depende barrera potencial interfacial y energía cinética. Si energía cinética alta, nanotubo desliza. Sino, tiende rodar reducir barrera. Cuando ratios >10 %/20 %, barrera potencial muy alta, nanotubo mantiene rodadura. Sintonización modo movimiento factible CNTs diferentes ángulos quirales, longitudes, diámetros ajustando ratio hidroxilo. Efecto grupo hidroxilo en modo movimiento nanotubo podría usarse controlar movimiento CNT, fabricar nanodispositivos programables.

Abreviaturas

LAMMPS:

Simulador Paralelo Masivo Atómico/Molecular Gran Escala

NEMS:

Sistemas nanoelectromecánicos

SWCNTs:

Nanotubos carbono monocapa