Графеновый геликоид

5. ГРАФЕНОВЫЙ ГЕЛИКОИД

 Развитие нанотехнологий значительно ускорило миниатюризацию электронных и механических устройств, в частности, наноэлектромеханической системы (NEMS). Для облегчения различных применений «NEMS» обычно разрабатывается из интеграции нескольких электронных и механических компонентов, таких как приводы, транзисторы, резонаторы и двигатели. В связи с этим нанопривод является одним из простых строительных блоков для множества наноразмерных устройств. Сообщается, например, что наномашина, изготовленная из наночастиц Pd, демонстрирует эффективное движение в присутствии магнитного или акустического полей.

На сегодняшний день ученые успешно синтезировали наноприводы на основе различных типов материалов, таких как нанопроволока Pt и карбида бора, многослойная углеродная нанотрубка (MWCNT), монооксид кремния (SiO), кремнезем и углеродные на- ноуглеводы.

 Между тем было проведено большое количество работ для оценки электрических, магнитных и механических свойств нанопружин. Например, благодаря атомно-силовому измерению микроскопа было установлено, что нанопринт MWCNT обнаруживает нелинейный отклик при сжатии [36]. Также было обнаружено, что аморфная углеродная нано- аккуляция имеется у пружины 0,12 Н/м в области низких деформаций. Исследования показывают, что коаксиальный нанослой SiC@SiO2 имеет постоянную пружину с усилием около 6,37 Н/м.

Ранее изученные наноприводы были либо изготовнлены из стержневой структуры (т.е. нанопроволоки), либо из трубчатой структуры (т.е. нанотрубки), аналогичной традиционной пружине с аналогичным механическим поведением [36]. С появлением разнообразных двумерных наноматериалов, таких как дифальцегиды графена и переходного ме- талла (ТВД, например, MoS2 и WS2), может быть синтезирован новый тип спиральной структуры с помощью механизма роста, управляемого различными дислокациями.

В частности, винтовая дислокация может создавать спиральные плоскости с непрерывными ступенями растущей поверхности, что приводит к атомарно-слоистым спиралям [36]. При этом спиральная структура MoS2 может легко переносить вертикальную нагрузку, поскольку дефект топологии в ее центре соединяет все слои и преобразует вертикальный транспорт в поперечный транспорт в базисной плоскости.

 Прикладывая электрическое напряжение к геликоидной структуре на основе графена, получаем эффект, когда электрический ток вращается по спирали, что приводит к очень большому магнитному полю, которое образует превосходную индуктивность [36].

Эти перспективные свойства наделяют геликоидную структуру привлекательными функциональными возможностями для использования в наноустройствах [36].

Было обнаружено, что графеновый геликоид имеет очень большую деформацию выхода и обладает уникальным характером растяжения, обусловленным ван-дер-ваальсовыми (vdW) взаимодействиями, отличными от обычной пружины [36].

 Структура графенового геликоида (GH) была построена в соответствии с винтовыми дислокациями, наблюдаемыми в изобилии в отожженном пиролитическом графите. Была выбрана представительная зигзагообразная структура. Как показано на рис. 40, графеновый геликоид был сконструирован посредством одношнековой дислокации графенового наноуглерода (b, где | b | = 3,4 А), и два графеновых монослоя размещены на 2-х концах, чтобы уменьшить влияние края. Очевидно, что структуруграфеного геликоида можно определить 3-мя параметрами: внешним радиусом (R), внутренним радиусом (r) и номе- ром поворота /шага (N). Таким образом, ширина и высота графенового геликоида могут быть рассчитаны из w = R - г и htot = (N + 2) | b | соответственно.

[pic 1]

Исследование проводилось с использованием моделирования крупномасштабной молекулярной динамики (MD). Для всех симуляций использовался широко используемый адаптивный потенциал межмолекулярной реактивной эмпирической связи (AIREBO) для описания атомных взаимодействий С-С [36].

Было показано, что этот потенциал хорошо отражает энергию связи и упругие свойства углеродных материалов [36]. Расстояние отсечения потенциала AIREBO было выбрано как 2,0 А. Структуры графенового геликоида были сначала оптимизированы методом минимизации сопряженных градиентов, а затем уравновешены с использованием термостата Носа-Гувера в течение 1 нс. Свободные граничные условия применялись во всех 3-х направлениях.