Исследование прогиба композита «УНТ-графен» с использованием молекулярно-динамического моделирования


Цитировать

Полный текст

Аннотация

В последнее время графен и наноматериалы на его основе используются в области биомедицины в качестве материала для биосенсорики. Основными компонентами в биосенсорах являются датчики, которые должны быть гибкими, масштабируемыми, чувствительными и надежными. Деформация материала изменяет его электрическое сопротивление, поэтому исследование механических свойств композитов, состоящих из нанотрубок и графена, является важной задачей. В настоящее время осуществляется активная разработка методик синтеза композитов, состоящих из графена и параллельно ему ориентированных нанотрубок. В связи с этим в данной работе проведено теоретическое исследование зависимости изгибающей силы от поперечного смещения атомов в центре композитного материала, состоящего из графена и параллельно ему ориентированных (8, 0) zigzag-нанотрубок. Выбор нанотрубки с хиральностью (8, 0) для исследования в данной работе обусловлен минимальным диаметром нанотрубок, входящих в состав композита данного типа. Устойчивость композита оценивалась путем расчета по величине энтальпии и связывалась с отрицательными ее значениями. Установлено, что энтальпия не изменяется в зависимости от расстояния между осями, вдоль которых ориентированы нанотрубки, входящие в состав композитов. Композитный материал удерживается с двух краев опорами при отсутствии подложки. Поиск равновесного состояния структуры определялся методом молекулярной механики с использованием энергетического потенциала Бреннера в рамках метода молекулярной динамики. Математическое моделирование действия иглы атомно-силового микроскопа осуществлялось при помощи однослойной углеродной нанотрубки типа armchair. Взаимодействие между armchair-нанотрубкой и композитом осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса. Нанотрубки типа armchair удобны для их использования в качестве иглы атомно-силового микроскопа, потому что их край не имеет острых углов (в отличие от трубок типа zigzag), т. е. при контакте будут наноситься минимальные повреждения системе. Приводятся результаты расчетов для зависимости энтальпии от диаметра нанотрубок, стрелы прогиба в центре пластины из композитного материала «УНТ-графен» от приложенной силы при изгибе. Показано, что исследуемые в данной работе нанокомпозиции энергетически устойчивы.

Об авторах

Анна Сергеевна Колесникова

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: Kolesnikova.88@mail.ru
кандидат физико-математических наук; доцент; каф. математической теории упругости и биомеханики Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Ирина Васильевна Кириллова

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: ivkirillova@yandex.ru
кандидат физико-математических наук; директор; научно образовательный институт наноструктур и биосистем Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Гайк Артурович Барегамян

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: baregaik@gmail.com
аспирант; каф. математической теории упругости и биомеханики Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Леонид Юрьевич Коссович

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского (национальный исследовательский университет)

Email: president@sgu.ru
доктор физико-математических наук; заведующий кафедрой; каф. математической теории упругости и биомеханики Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

Список литературы

  1. Wei J., Wei C., Su L., Fu J., Lv J. Synergistic Reinforcement of Phenol-Formaldehyde Resin Composites by Poly(Hexanedithiol)/Graphene Oxide // J. Mater. Sci. Chem. Eng., 2015. vol. 3, no. 8. pp. 56-70. doi: 10.4236/msce.2015.38009.
  2. Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski C. W., Ruoff R. S. Graphene-based polymer nanocomposites // Polymer, 2011. vol. 52, no. 1. pp. 5-25. doi: 10.1016/j.polymer.2010.11.042.
  3. Jung N., Kwon S., Lee D., Yoon D. M. et. al. Synthesis of Chemically Bonded Graphene/ Carbon Nanotube Composites and their Application in Large Volumetric Capacitance Supercapacitors // Adv. Mater., 2013. vol. 25, no. 47. pp. 6854-6858. doi: 10.1002/adma.201302788.
  4. Kim S. H., Song W., Jung M. W., Kang M. A. et. al. Carbon nanotube and graphene hybrid thin film for transparent electrodes and field effect transistors // Adv. Mater., 2014. vol. 26, no. 25. pp. 4247-4252. doi: 10.1002/adma.201400463.
  5. Kholmanov I. N., Magnuson C. W. , Piner R., Kim J. Y. et. al. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/carbon nanotube films // Adv. Mater., 2015. vol. 27, no. 19. pp. 3053-3059. doi: 10.1002/adma.201500785.
  6. Dong X., Li B., Wei A., Cao X. et. al. One-step growth of graphene-carbon nanotube hybrid materials by chemical vapor deposition // Carbon, 2011. vol. 49, no. 9. pp. 2944-2949. doi: 10.1016/j.carbon.2011.03.009.
  7. Tristán-López F., Morelos-Gómez A., Vega-Diaz S. M., Garcia-Betancourt M. L. et. al. Large area films of alternating graphene-carbon nanotube layers processed in water // ACS Nano, 2013. vol. 7, no. 12. pp. 10788-10798. doi: 10.1021/nn404022m.
  8. Mitrofanov V. V., Slepchenkov M. M., Zhang G., Glukhova O. E. Hybrid Carbon Nanotube-Graphene Monolayer Films: Regularities of Structure, Electronic and Optical Properties // Carbon, 2017. vol. 115. pp. 803-810. doi: 10.1016/j.carbon.2017.01.040.
  9. Yu W. J., Chae S. H., Lee S. Y., Duong D. L., Lee Y. H. Ultra-transparent, flexible single-walled carbon nanotube non-volatile memory device with an oxygen-decorated graphene electrode // Adv. Mater., 2011. vol. 23, no. 16. pp. 1889-1893. doi: 10.1002/adma.201004444.
  10. Zhu Y., Li L., Zhang C., Casillas G. et. al. A seamless three-dimensional carbon nanotube graphene hybrid material // Nat. Commun., 2012. vol. 3, 1225. doi: 10.1038/ncomms2234.
  11. Kakade B. A., Pillai V. K., Late D. J., Chavan P. G. et. al. High current density, low threshold field emission from functionalized carbon nanotube bucky paper // Appl. Phys. Lett., 2010. vol. 97, no. 7, 073102. doi: 10.1063/1.3479049.
  12. Jousseaume V., Cuzzocrea J., Bernier N., Renard V. T. Few Graphene layer/CarbonNanotube composite Grown at CMOS-compatible Temperature // Appl. Phys. Lett., 2011. vol. 98, 123103. doi: 10.1063/1.3569142.
  13. Brenner D. W. Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films // Phys. Rev. B, 1990. vol. 42. pp. 9458-9471. doi: 10.1103/PhysRevB.42.9458.
  14. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S., Kossovich E. L., Zhnichkov R. Y. Super strong nanoindentors for biomedical applications based on bamboo-like nanotubes // Proc. SPIE, 2012. vol. 8233, Reporters, Markers, Dyes, Nanoparticles, and Molecular Probes for Biomedical Applications IV (2 February 2012), 823311. doi: 10.1117/12.907035.
  15. Kolesnikova A. S. Mechanical properties of sorbents depending on nanopore sizes // Phys. Sol. State, 2017. vol. 59, no. 7. pp. 1336-1339. doi: 10.1134/S1063783417070113.
  16. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S. Mechanical and emission properties of thinnest stable bamboolike nanotubes // J. Phys. Conf. Ser., 2012. vol. 393, 012027. doi: 10.1088/1742-6596/393/1/012027.
  17. Lucas A. A., Lambin P. H., Smalley R. E. On the energetics of tubular fullerenes // J. Phys. Chem. Solids, 1993. vol. 54, no. 5. pp. 587-593. doi: 10.1016/0022-3697(93)90237-L.
  18. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S., Slepchenkov M. M., Shmygin D. S. Atomic structure of energetically stable carbon nanotubes/graphene composites // Phys. Sol. State, 2015. vol. 57, no. 5. pp. 1009-1013. doi: 10.1134/S106378341505011X.
  19. Glukhova O. E., Slepchenkov M. M., Shmygin D. S. Nanoindentation of a new graphene/phospholipid composite: a numerical simulation // Proc. SPIE, 2017. vol. 10079, Reporters, Markers, Dyes, Nanoparticles, and Molecular Probes for Biomedical Applications IX (21 February 2017), 1007910. doi: 10.1117/12.2256809.
  20. Глухова О. Е., Гришина О. А., Савостьянов Г. В. Наноиндентирование липопротеинов высокой плотности углеродными нанотрубками: мультимасштабное моделирование // Российский журнал биомеханики, 2014. Т. 18, № 3. С. 367-380.
  21. Глухова О. Е., Шунаев В. В. Исследование прочности на разрыв моно- и бислойного графена // Нано- и микросистемная техника, 2012. № 7(144). С. 25-29.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Самарский государственный технический университет, 2018

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».