Investigation of deflection of the CNT/G composite by molecular dynamics simulation


Cite item

Full Text

Abstract

Graphene and nanomaterials based on graphene have been using in the field of biomedicine as a material for biosensorics. The main components in biosensors are sensors, which must be flexible, scalable, sensitive and reliable. The deformation of the material changes its electrical resistance, therefore the study of the mechanical properties of composites, consisting of nanotubes and graphene, is the urgent task. Currently, active development of methods for the synthesis of composites consisting of graphene and parallel to it oriented nanotubes have been carrying. However, papers on the investigation of the optical and electronic properties of this composition was carried out not enough, and papers on the investigation of the mechanical properties of composites have not been found. The aim of this work is a theoretical investigation of the depending the bending force on the transverse displacement of atom in center of the composite material consisting of graphene and parallel to it (8, 0) zigzag nanotubes. The choice of a nanotube (8, 0) for research in this work is due to the minimum diameter of the nanotubes that make up the composite of this type. The stability of the composite was estimated by calculating the value of enthalpy and is characterized by a negative value of enthalpy. It was established that enthalpies do not change depending on the distance between the axes, along which the nanotubes belonging to the composites are oriented. Composite material was retained on both edges by support in the absence of a substrate. The search for the equilibrium state of the structure was determined by the molecular mechanics method using the Brenner energy potential within the framework of the molecular dynamics method. Mathematical modeling of the action of the needle of the atomic force microscope was carried out using the single-layer armchair carbon nanotube. The interaction between the armchair nanotube and the composite is carried out by means of the van der Waals forces.

About the authors

Anna S Kolesnikova

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: Kolesnikova.88@mail.ru
Cand. Phys. & Math. Sci.; Associate Professor; Dept. of Mathematical Theory of Elasticity and Biomechanics 83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation

Irina V Kirillova

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: ivkirillova@yandex.ru
Cand. Phys. & Math. Sci.; Director; Scientific and Educational Institute of Nanostructures and Biosystems 83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation

Gaik A Baregamyan

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: baregaik@gmail.com
Postgraduate Student; Dept. of Mathematical Theory of Elasticity and Biomechanics 83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation

Leonid Yu Kossovich

N. G. Chernyshevsky Saratov State University (National Research University)

Email: president@sgu.ru
Dr. Phys. & Math. Sci., Professor; Head of Department; Dept. of Mathematical Theory of Elasticity and Biomechanics 83, Astrakhanskaya st., Saratov, 410012, Russian Federation

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a 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».