Ajuste del modo de movimiento deslizante de los nanotubos de carbono mediante grupos de hidroxilo

Resumen

Controlar el movimiento de los nanotubos de carbono es fundamental en la manipulación de nanodispositivos, incluidos los nanorobots. En este documento, investigamos el comportamiento de movimiento de SWCNT (10,10) sobre un sustrato de Si utilizando simulaciones de dinámica molecular. Mostramos que los grupos hidroxilo tienen un efecto sensible sobre el modo de movimiento del nanotubo de carbono. Cuando la relación de los grupos hidroxilo en las superficies de los nanotubos de carbono y del sustrato de silicio es mayor que el 10 y el 20%, respectivamente, el movimiento del nanotubo de carbono se transforma de deslizamiento a rodamiento. Cuando la relación de los grupos hidroxilo es menor, el modo de deslizamiento o rollo puede controlarse mediante la velocidad del nanotubo de carbono, que en última instancia está determinada por la competencia entre la energía potencial de la interfaz y la energía cinética. El cambio de modo de movimiento es válido para diferentes nanotubos de carbono con grupos hidroxilo. La quiralidad tiene poco efecto sobre el comportamiento del movimiento, a diferencia del diámetro, atribuido a la relación de los grupos hidroxilo. Nuestro estudio sugiere una nueva ruta para controlar el comportamiento del movimiento de los nanotubos de carbono a través de grupos hidroxilo.

Antecedentes

Controlar los comportamientos de movimiento de los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y los nanorobots es un tema complejo y desafiante debido a los efectos de superficie e interfaz. La estimulación de fuentes de energía naturales, sintéticas, físicas y otras pueden controlar el movimiento mecánico de nano y micromotores [1]. Por ejemplo, es posible conducir nanocoches no polares unidireccionalmente [2] y moléculas de cuatro ruedas direccionalmente con la ayuda de un campo eléctrico externo [3] y conducir térmicamente nanocoches moleculares direccionalmente [4].

Los nanotubos de carbono juegan un papel importante en NEMS debido a sus excelentes propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Se han diseñado nanodispositivos basados en nanotubos de carbono como nanoengranajes [5], nanomotores [6, 7], nanocojinetes [8, 9] y actuadores electromecánicos a nanoescala [10]. Sin embargo, ajustar el movimiento de estos nanodispositivos sigue siendo una cuestión abierta. Los documentos de investigación informaron que se utilizó un gradiente térmico para activar los nanotubos coaxiales [11]. Mientras tanto, los investigadores estudiaron los factores que podrían influir en el comportamiento de movimiento de los nanotubos de carbono, incluido el estado proporcional o inconmensurable entre las interfaces [12], la deformación de los nanotubos de carbono [13,14,15] y los grupos introducidos como los hidrógenos en los extremos de un motor [16]. Entre estos factores, la introducción de grupos funcionales en nanotubos de carbono es relativamente fácil de lograr. Los investigadores han estudiado las propiedades de movimiento y fricción de los nanotubos de carbono fluorados en la superficie [17], las capas de óxido de grafeno con diferentes grupos funcionales [18] y el grafeno hidrogenado [19, 20]. Sin embargo, hasta ahora no se ha informado del efecto de los grupos hidroxilo introducidos sobre el comportamiento de movimiento de los nanotubos de carbono. Este artículo demuestra que la introducción de grupos hidroxilo puede ajustar el comportamiento de rodadura o deslizamiento de los nanotubos de carbono. Nuestro estudio puede arrojar luz sobre el movimiento controlado direccionalmente de sofisticados sistemas mecánicos moleculares basados en nanotubos de carbono, como el nanoengranaje de piñón y cremallera. Además, para otros nanomateriales cilíndricos, como los nanocrolls que tienen un gran potencial [21], los resultados también proporcionan una forma posible de controlar su movimiento.

Métodos

Los modelos de simulación están compuestos por nanotubos de carbono de pared simple (10,10) (SWCNT) y sustrato de Si. Se consideran tres estructuras diferentes, como se muestra en la Fig. 1. El modelo a es un modelo de simulación ideal (Fig. 1a), que incluye nanotubos de carbono orientados horizontalmente y sustrato de Si. El modelo b está compuesto por un nanotubo de carbono y un sustrato de Si cubierto con un grupo hidroxilo (Fig. 1b). El modelo c también está compuesto de nanotubos de carbono y sustrato de Si, pero ambas partes están cubiertas con grupos hidroxilo en las superficies (Fig. 1c). El contenido de grupos hidroxilo en el sustrato de Si se refiere a la relación entre el número de grupos hidroxilo y el número de átomos de Si en la superficie del sustrato de Si. La dimensión del sustrato Si (0 0 1) es 8.01 nm en el x dirección y 7,98 mn en la y dirección. El sustrato de Si consta de 5400 átomos de Si.

Modelos de simulación. un Ideal. b Sustrato de Si cubierto con grupos hidroxilo. c El nanotubo de carbono y el sustrato de Si están cubiertos con grupos hidroxilo

El potencial AIREBO [22] y el potencial TERSOFF [23] se aplican para describir las interacciones entre los átomos de C dentro del nanotubo de carbono y entre los átomos de Si dentro del sustrato, respectivamente. Dado que los átomos de O no se consideran en el potencial AIREBO, se emplea un campo de fuerza OPLS para describir Si – O – H en el sustrato de Si y C – O – H en nanotubos de carbono [24,25,26,27]. El enlace de hidrógeno entre las interfaces en el modelo c se calcula mediante el campo de fuerza DREIDING [28]. La fuerza de Van der Waals entre el nanotubo de carbono y el sustrato de Si se describe mediante el potencial clásico 12-6 de Lennard-Jones (L-J) [29]. Los parámetros para C, H y O se pueden encontrar en la literatura [25], y los parámetros para Si están en la literatura [28]. El movimiento del nanotubo de carbono presentado aquí es simulado por un Simulador Masivamente Paralelo Atómico / Molecular a Gran Escala (LAMMPS) [30]. Todas las simulaciones se realizan en el conjunto canónico (NVT). La temperatura del sistema es 300 K. Al comparar los resultados con el termostato Nosé-Hoover y el termostato Langevin en el modelo a, se muestra que el termostato Langevin casi influye en el movimiento del nanotubo de carbono y hace que el sistema alcance el equilibrio más fácilmente. Por lo tanto, el termostato Langevin se adopta en simulaciones. El coeficiente de amortiguación del termostato Langevin, t _r , que se refiere a la contribución de fuerzas aleatorias en la ecuación de Langevin, se establece en 0,1 ps para todos los casos [31]. Los átomos de la capa inferior del sustrato de Si se fijan para simular la oblea de Si. Las condiciones de contorno periódicas se aplican a lo largo de la x y y direcciones. Para realizar el mismo límite periódico para el nanotubo de carbono y el sustrato de Si en el y dirección, el sustrato de Si se comprime 1,90% a lo largo de la y dirección, que es pequeña; por lo tanto, se puede ignorar la influencia sobre el movimiento de los nanotubos de carbono. La integración numérica de las ecuaciones de dinámica se realiza mediante el algoritmo Velocity-Verlet con un intervalo de tiempo de 0,001 ps. El proceso de simulación es el siguiente. Primero, la estructura del sistema de simulación se optimiza mediante la minimización de energía. Luego, la relajación se realiza durante 100 ps para asegurar que el sistema alcance el equilibrio. Finalmente, una velocidad constante o una fuerza constante sobre el nanotubo de carbono a lo largo de la x La dirección está configurada para que se mueva sobre el sustrato de Si. La velocidad constante a lo largo de la x La dirección se lleva a cabo estableciendo la fuerza lateral del centro del nanotubo de carbono en cero.

Resultados y discusión

Primero establecemos una velocidad de traslación constante de 10 m / s para nanotubos de carbono en el x dirección. En ambos modelos ayb, el nanotubo de carbono se desliza sobre el sustrato. Sin embargo, la laminación ocurre en el modelo c donde el nanotubo de carbono y el sustrato de Si están ambos cubiertos con grupos hidroxilo. Cuando la proporción de los grupos hidroxilo de nanotubos de carbono y sustrato de Si son ambos del 10%, el nanotubo de carbono rueda sobre el sustrato de Si, acompañado de un ligero deslizamiento (archivo adicional 1:Película S1). Además, si la relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si son 10 y 20%, respectivamente, el nanotubo de carbono sigue rodando sobre el sustrato de Si durante el tiempo de simulación (archivo adicional 2:Película S2). La Figura 2a muestra la trayectoria de movimiento tridimensional de un átomo de C en un nanotubo de carbono cuando la relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es del 10 y 20%, respectivamente. El movimiento del átomo de C representa el movimiento del nanotubo de carbono porque, obviamente, el nanotubo de carbono no cambiará su forma. Coordenada de nanotubos de carbono en z la dirección se mueve hacia arriba y hacia abajo obviamente, y el máximo de z el desplazamiento es de aproximadamente 1,3 nm, que es similar al diámetro de SWCNT (10,10) de 1,38 nm. El resultado indica el movimiento de rodar. El nanotubo de carbono se mueve unos 10,8 nm en el x dirección. Debido a que la velocidad constante de 10 m / s en el x La dirección se aplica al nanotubo de carbono, lo que hace que el nanotubo de carbono se mueva 9,5 nm en la x dirección durante el proceso de movimiento de 950 ps. Por lo tanto, la distancia de movimiento adicional en la x la dirección es de 1,3 nm. El valor es igual al máximo de desplazamiento z, lo que indica que el balanceo es dominante en el movimiento. Además, el ligero deslizamiento en el y también ocurre la dirección. La razón se puede atribuir a la fuerza de desequilibrio a lo largo de la dirección axial del nanotubo de carbono debido a la distribución aleatoria de grupos hidroxilo, lo que hace que el nanotubo de carbono se deslice a lo largo de y dirección. Fenómenos similares se pueden encontrar en otro trabajo de investigación [31]. Cuando la proporción de grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si cambia a 5% y 5%, y 5% y 10%, el movimiento del nanotubo de carbono se vuelve diferente. La Figura 2b muestra la posición de un átomo de C en el z dirección cuando la relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% y 10% / 20%, respectivamente. En los casos en que la proporción de grupos hidroxilo es 5% / 5% y 5% / 10%, el deslizamiento es el movimiento principal, acompañado de un ligero balanceo. En el caso de que la proporción de grupos hidroxilo sea 5% / 5%, el nanotubo de carbono se desliza alrededor de 500 ps acompañado de un ligero balanceo y luego rueda alrededor de 500 ps. En el caso de que la proporción de grupos hidroxilo sea de 5% / 10%, el nanotubo de carbono se desliza alrededor de 500 ps con un ligero balanceo y luego sigue deslizándose.

un La trayectoria de movimiento tridimensional de un átomo de C en un nanotubo de carbono. La relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es de 10 y 20%, respectivamente. b La coordenada de un átomo de C en un nanotubo de carbono en z dirección en función del tiempo. La proporción de grupos hidroxilo en nanotubos de carbono y sustrato de Si es 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% y 10% / 20%, respectivamente

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

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

Para establecer el mecanismo del cambio de modo de movimiento debido a los grupos hidroxilo, examinamos la energía potencial de la interfaz en diferentes condiciones, ya que el comportamiento de movimiento de los SWCNT está influenciado por la barrera del potencial de la interfaz [15]. Las energías potenciales interfaciales entre el nanotubo de carbono y el sustrato de Si en los modelos ayc se muestran en la Fig. 3a, b, que se obtiene al permitir que el nanotubo de carbono se deslice sobre el sustrato durante 20.0 y 20.0 nm a lo largo de la x y y direcciones, respectivamente, después de la relajación. En el modelo c, se selecciona el caso con la proporción de grupos hidroxilo de nanotubos de carbono y sustrato de Si 10% / 20% porque el nanotubo de carbono sigue rodando en esta condición. En el modelo ideal a, debido al estado inconmensurable entre el nanotubo de carbono y el sustrato de Si, la distribución de la energía potencial entre interfaces es uniforme. Como resultado, el nanotubo de carbono se desliza sobre el sustrato. Sin embargo, en el modelo c, la interacción de grupos hidroxilo entre interfaces conduce a un enorme cambio de energía potencial interfacial. El pico de la barrera potencial local alcanza incluso el orden de 10 ⁷ eV. La distribución aleatoria de grupos hidroxilo provoca la distribución uniforme de la barrera de alto potencial. Por lo tanto, el nanotubo de carbono no puede cruzar la barrera de potencial directamente, lo que da como resultado que se enrolle para reducir la barrera de potencial interfacial. Debido a que la barrera potencial cubre toda la superficie debido a la distribución aleatoria de grupos hidroxilo, el nanotubo de carbono sigue rodando a lo largo de la x dirección. Para los casos en los que la proporción de grupos hidroxilo de nanotubos de carbono y sustrato de Si es 5% / 5%, 5% / 10% y 10% / 10%, su barrera potencial es relativamente menor que en el caso en el que los grupos hidroxilo 'ratio es 10% / 20%. La razón es que menos grupos hidroxilo en la interfaz dan como resultado una interacción más débil. Cuando la energía cinética del nanotubo de carbono es más alta que la barrera, se desliza. De lo contrario, el nanotubo de carbono comienza a rodar.

un , b La energía potencial interfacial entre el nanotubo de carbono y el sustrato de Si. un Modelo ideal. b La relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es del 10% al 20%. c La fricción promedio sobre nanotubos de carbono en los seis casos. El recuadro muestra la fricción del nanotubo de carbono con el tiempo en tres casos en los modelos a, by c. La proporción de grupos hidroxilo de nanotubos de carbono y sustrato de Si en los modelos byc es 0/10% y 10% / 10%, respectivamente. d El número medio de enlaces de hidrógeno en los seis casos de c

La introducción de grupos hidroxilo entre las interfaces influye no solo en el movimiento de los nanotubos de carbono, sino también en la fricción entre las interfaces. La Figura 3c muestra la fricción promedio en nanotubos de carbono en seis casos, donde la proporción de grupos hidroxilo del nanotubo de carbono y el sustrato de Si es 0/0, 0/10%, 5% / 5%, 5% / 10%, 10% / 10% y 10% / 20%, respectivamente. Los resultados muestran que la fricción promedio aumenta significativamente con la relación de los grupos hidroxilo. En los modelos ayb, la fuerza de fricción promedio es casi cero. Dado que la rugosidad de la superficie aumenta debido a la introducción de grupos hidroxilo, la fricción promedio en el modelo b es mayor que en el modelo ideal a. El recuadro de la Fig. 3c muestra que la fluctuación de la fuerza lateral en el modelo b es mayor que en el modelo a. En el modelo c, debido a que el nanotubo de carbono y el sustrato de Si son ambos grupos hidroxilo injertados, la fluctuación de la fuerza lateral y la fricción media son significativamente mayores que las de los modelos ay b. Cuando la relación de los grupos hidroxilo es del 10% al 20%, la fricción media aumenta a aproximadamente 2,19 nN.

Para obtener información más detallada sobre el mecanismo de la fricción y el comportamiento del movimiento, hemos estudiado los enlaces químicos durante el movimiento. Observamos que se forman enlaces de hidrógeno entre grupos hidroxilo en las interfaces. Los números de enlaces de hidrógeno promedio correspondientes en estos seis casos se ilustran en la Fig. 3d. El incremento del número de enlaces de hidrógeno conduce a una mayor barrera potencial y fricción con el aumento de la relación de los grupos hidroxilo. Esto es debido a que el enlace de hidrógeno tuvo una gran influencia en la fricción [32].

El comportamiento de movimiento de los nanotubos de carbono está influenciado no solo por los grupos hidroxilo entre las interfaces, sino también por la velocidad de los nanotubos de carbono, especialmente cuando una barrera de potencial interfacial es relativamente baja debido al pequeño número de grupos hidroxilo interfaciales. Con el nanotubo de carbono a velocidades de 20, 50, 70 m / s, la Fig. 4a muestra la coordenada de un átomo de C en z dirección cuando la proporción de grupos hidroxilo de nanotubos de carbono y sustrato de Si es 5% / 5%. A la velocidad de 20 m / s, el balanceo domina en el movimiento de los nanotubos de carbono. A la velocidad de 50 m / s, el nanotubo de carbono se mueve 50 nm en la x dirección y rollos para una ronda, lo que significa que el deslizamiento y el balanceo ocurren alternativamente. A la velocidad de 70 m / s, el nanotubo de carbono se desliza principalmente sobre el sustrato acompañado de un ligero enrollamiento. La razón es similar a que los grupos hidroxilo introducidos entre las superficies pueden sintonizar el movimiento de los nanotubos de carbono. Dado que la barrera de la interfaz es relativamente baja, cuando la energía cinética del nanotubo de carbono es grande, el nanotubo de carbono lo atraviesa directamente. Sin embargo, cuando la energía cinética es baja, el nanotubo de carbono tiende a rodar para bajar la barrera de la interfaz. Además, la curva de la fuerza de fricción media con la velocidad del nanotubo de carbono cuando la relación de los grupos hidroxilo es 5% / 5% se muestra en la Fig. 4b. La fricción disminuye con la velocidad, lo que es consistente con el trabajo experimental de otros investigadores [32].

un La coordenada de un átomo de C en un nanotubo de carbono en z dirección en función del tiempo cuando el nanotubo de carbono se mueve a velocidades de 20, 50 y 70 m / s. b La curva de las fuerzas de fricción medias con las velocidades del nanotubo de carbono. c La coordenada de un átomo de C en el nanotubo de carbono en z dirección cuando la relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es 5% / 10%. La fuerza externa constante aplicada sobre el nanotubo de carbono es 0,000625 nN en el x dirección

Se puede obtener un resultado similar aplicando una fuerza externa constante sobre nanotubos de carbono en el x dirección. Por un lado, cuando la fuerza externa es grande, el nanotubo de carbono solo se desliza sobre el sustrato. Por otro lado, si la fuerza es demasiado pequeña, el nanotubo de carbono no se puede mover. Como resultado, hay una transición de deslizamiento deslizante bajo una fuerza externa constante de 0.000625nN. La figura 4c muestra la coordenada de un átomo de C en un nanotubo de carbono en z dirección cuando la proporción de grupos hidroxilo de nanotubos de carbono y sustrato de Si es 5% / 10%. El resultado muestra que la coordenada del átomo de C en z La dirección aumenta obviamente en la primera etapa, lo que indica un modo de balanceo. Luego, la coordenada en z la dirección no cambia mucho en la etapa posterior, lo que significa que el modo de deslizamiento domina en el movimiento. La razón es que la energía cinética del nanotubo de carbono es pequeña al principio, lo que no es capaz de superar la barrera de la interfaz directamente, lo que resulta en un balanceo. Con el aumento de la energía cinética del nanotubo de carbono, su comportamiento de movimiento se transforma de un rollo a otro.

Investigamos más a fondo la influencia del ángulo quiral, el diámetro y la longitud de los nanotubos de carbono en sus comportamientos de movimiento. Primero, examinamos el efecto de ángulo quiral usando cinco configuraciones, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6) y SWCNT (15,0), que tienen ángulos variables pero tienen casi los mismos diámetros. Los resultados muestran que su comportamiento de movimiento es el mismo que el de SWCNT (10,10), lo que indica que el efecto del ángulo quiral sobre el comportamiento de movimiento de los nanotubos de hidroxilo de carbono injertados puede despreciarse. A continuación, seleccionamos SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) y SWCNT (25,25) para estudiar la influencia del diámetro. Los resultados de los modelos ayb son similares a los de SWCNT (10,10). Sin embargo, en el modelo c, los resultados son diferentes a los de SWCNT (10,10). Cuando el modo de movimiento de SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) y SWCNT (25,25) cambia a laminado continuo, la relación de los grupos hidroxilo es 10% / 25%, 15% / 30% y 20% / 30%, respectivamente. Cuanto mayor es el diámetro, mayor es la proporción de grupos hidroxilo cuando cambia el modo de movimiento. La razón se puede atribuir al cambio de área de contacto de la interfaz. Las estructuras de la interfaz muestran que SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) y SWCNT (25,25) tienen todos una plataforma en la parte inferior, como se muestra en la Fig.5, lo que provoca una mayor fricción y la dificultad de rollo. Una relación más alta de grupos hidroxilo ofrece una interacción de interfaz más fuerte y finalmente da como resultado la aparición de laminación. SWCNT (7,7) y SWCNT (10,10) ambos no tienen una plataforma en la parte inferior, y entonces, el comportamiento de movimiento de SWCNT (7,7) es casi el mismo que el de SWCNT (10,10). Por último, exploramos el efecto de la longitud sobre el movimiento cambiando la longitud de SWCNT (10,10). Se examinan explícitamente tres longitudes, 21,7, 54,3 y 81,4 nm. Encontramos que el comportamiento de movimiento de SWCNT (10,10) con una longitud de 21.7 nm es consistente con el modelo inicial c. Sin embargo, en los casos con longitudes de 54,3 y 81,4 nm, exhiben una ligera deformación por flexión durante el proceso de laminación debido a la gran relación de aspecto entre la longitud y el diámetro.

La estructura del nanotubo de carbono sobre el sustrato de Si. un SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25)

Conclusiones

En resumen, revelamos que la introducción de grupos hidroxilo entre las interfaces conduce a la formación de enlaces de hidrógeno, lo que aumenta la barrera y la fricción de la interfaz. El modo de movimiento (deslizamiento o rollo) del nanotubo de carbono en el sustrato de Si se puede ajustar mediante la relación de los grupos hidroxilo introducidos en las interfaces y la velocidad del nanotubo de carbono. Cuando la relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es pequeña (<10% / 20%), el movimiento del nanotubo de carbono depende de la barrera potencial de la interfaz y la energía cinética. Si la energía cinética del nanotubo de carbono es alta, el nanotubo de carbono se desliza sobre el sustrato. De lo contrario, el nanotubo de carbono tiende a rodar para bajar la barrera. Cuando la relación de los grupos hidroxilo en el nanotubo de carbono y el sustrato de Si es superior al 10% / 20%, en el que la barrera de energía potencial interfacial es muy alta, el nanotubo de carbono sigue rodando. El ajuste del modo de movimiento es factible para CNT con diferentes ángulos, longitudes y diámetros quirales mediante el ajuste de la relación de los grupos hidroxilo. El efecto del grupo hidroxilo en el modo de movimiento del nanotubo de carbono podría usarse para controlar el movimiento de CNT y podrían fabricarse nanodispositivos programables.

Abreviaturas

LAMMPS:: Simulador masivo paralelo atómico / molecular a gran escala
NEM:: Sistemas nanoelectromecánicos
SWCNT:: Nanotubos de carbono de pared simple

Reducción de óxido de grafeno a baja temperatura:Conductancia eléctrica y microscopía de fuerza de sonda Kelvin de barrido Diseño de un absorbente de metamaterial de terahercios de cuatro bandas utilizando un resonador rectangular perforado para aplicaciones de detección

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias