De Slide-Roll Motion-modus van koolstofnanobuisjes afstemmen via hydroxylgroepen

Resultaten en discussie

We hebben eerst een constante translatiesnelheid van 10 m/s ingesteld voor koolstofnanobuisjes in de x richting. In beide modellen a en b schuift de koolstofnanobuis op het substraat. Rollen vindt echter plaats in model c waar de koolstofnanobuis en het Si-substraat beide bedekt zijn met hydroxylgroepen. Wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen van koolstof nanobuis en Si-substraat beide 10% is, rolt de koolstof nanobuis op het Si-substraat, vergezeld van een lichte verschuiving (aanvullend bestand 1:Movie S1). Bovendien, als de verhouding van de hydroxylgroepen op de koolstofnanobuis en het Si-substraat respectievelijk 10 en 20% is, blijft de koolstofnanobuis tijdens de simulatietijd op het Si-substraat rollen (aanvullend bestand 2:film S2). Figuur 2a toont het driedimensionale bewegingstraject van een C-atoom op koolstofnanobuisjes wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen op koolstofnanobuisjes en Si-substraat respectievelijk 10 en 20% zijn. De beweging van het C-atoom vertegenwoordigt de beweging van de koolstofnanobuis, omdat de koolstofnanobuis natuurlijk niet van vorm zal veranderen. Coördinaat van koolstofnanobuisjes in de z richting beweegt duidelijk op en neer, en het maximum van z verplaatsing is ongeveer 1,3 nm, wat vergelijkbaar is met de diameter van SWCNT (10,10) van 1,38 nm. Het resultaat geeft de beweging van het rollen aan. De koolstofnanobuis beweegt ongeveer 10,8 nm in de x richting. Omdat de constante snelheid 10 m/s in de x richting wordt toegepast op de koolstofnanobuis, waardoor de koolstofnanobuis 9,5 nm beweegt in de x richting tijdens het 950-ps bewegingsproces. Daarom is de extra bewegingsafstand in de x richting is 1,3 nm. De waarde is gelijk aan het maximum van z-verplaatsing, wat aangeeft dat rollen dominant is in de beweging. Trouwens, de lichte verschuiving in de y richting komt ook voor. De reden kan worden toegeschreven aan de onevenwichtskracht langs de axiale richting van de koolstofnanobuis als gevolg van de willekeurige verdeling van hydroxylgroepen, waardoor de koolstofnanobuis langs de y schuift. richting. De gelijkaardige verschijnselen zijn te vinden in een ander onderzoekswerk [31]. Wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen op het koolstofnanobuisje en het Si-substraat verandert in 5% en 5%, en 5% en 10%, wordt de beweging van koolstofnanobuisjes anders. Figuur 2b toont de positie van een C-atoom in de z richting wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen op koolstofnanobuisjes en Si-substraat respectievelijk 5%/5%, 5%/10%, 10%/10% en 10%/20% is. In de gevallen dat de verhouding van de hydroxylgroepen 5%/5% en 5%/10% is, is glijden de belangrijkste beweging, vergezeld van licht rollen. In het geval dat de verhouding van hydroxylgroepen 5%/5% is, glijdt de koolstofnanobuis ongeveer 500 ps vergezeld van licht rollen en rolt vervolgens ongeveer 500 ps. In het geval dat de verhouding van de hydroxylgroepen 5%/10% is, glijdt de koolstofnanobuis ongeveer 500 ps met licht rollen en blijft dan glijden.

een Het driedimensionale bewegingstraject van een C-atoom op koolstofnanobuisjes. De verhouding van de hydroxylgroepen op koolstofnanobuisjes en Si-substraat is respectievelijk 10 en 20%. b De coördinaat van een C-atoom op koolstofnanobuisjes in de z richting als functie van de tijd. De verhouding van de hydroxylgroepen op koolstofnanobuisjes en Si-substraat is respectievelijk 5%/5%, 5%/10%, 10%/10% en 10%/20%.

Aanvullend bestand 1:Films S1 . (AVI 4439 kb)

Aanvullend bestand 2:Movies S2 . (AVI 4929 kb)

Om het mechanisme van de verandering van bewegingsmodus als gevolg van hydroxylgroepen vast te stellen, onderzoeken we de potentiële energie van de interface onder verschillende omstandigheden, aangezien het bewegingsgedrag van SWCNT's wordt beïnvloed door de potentiële barrière van de interface [15]. De grensvlakpotentiële energieën tussen koolstofnanobuisjes en Si-substraat in modellen a en c worden weergegeven in Fig. 3a, b, die wordt verkregen door het koolstofnanobuisje 20,0 en 20,0 nm over het substraat te laten glijden langs de x en y richtingen, respectievelijk, na ontspanning. In model c wordt het geval gekozen met de verhouding van de hydroxylgroepen van koolstofnanobuisjes en Si-substraat 10%/20% omdat de koolstofnanobuis onder deze voorwaarde blijft rollen. In het ideale model a is de verdeling van de potentiële energie tussen de interfaces, vanwege de onevenredige toestand tussen de koolstofnanobuis en het Si-substraat, gelijk. Als gevolg hiervan schuift de koolstofnanobuis op het substraat. In model c leidt de interactie van hydroxylgroepen tussen grensvlakken echter tot een enorme verandering van grensvlak potentiële energie. De piek van de lokale potentiële barrière bereikt zelfs de orde van 10 ⁷ eV. De willekeurige verdeling van hydroxylgroepen veroorzaakt de uniforme verdeling van de barrière met hoge potentiaal. Daarom kan de koolstofnanobuis de potentiële barrière niet rechtstreeks passeren, wat resulteert in rollen om de grensvlakpotentiële barrière te verminderen. Omdat de potentiële barrière het hele oppervlak bedekt als gevolg van willekeurige verdeling van hydroxylgroepen, blijft de koolstofnanobuis langs de x rollen. richting. Voor de gevallen waarin de verhouding van hydroxylgroepen van koolstofnanobuisjes en Si-substraat 5%/5%, 5%/10% en 10%/10% is, is hun potentiële barrière relatief lager dan het geval waarin de hydroxylgroepen '-ratio is 10%/20%. De reden is dat minder hydroxylgroepen op het grensvlak resulteren in een zwakkere interactie. Wanneer de kinetische energie van koolstofnanobuisjes hoger is dan de barrière, schuift het. Anders begint de koolstofnanobuis te rollen.

een , b De grensvlak potentiële energie tussen koolstof nanobuis en Si-substraat. een Ideaal model. b De verhouding van de hydroxylgroepen op koolstofnanobuisjes en Si-substraat is 10%/20%. c De gemiddelde wrijving op koolstofnanobuisjes in de zes gevallen. De inzet toont wrijving van koolstofnanobuisjes in de tijd in drie gevallen in modellen a, b en c. De verhouding van de hydroxylgroepen van koolstofnanobuisjes en Si-substraat in modellen b en c is respectievelijk 0/10% en 10%/10%. d Het gemiddelde aantal waterstofbruggen in de zes gevallen in c

De introductie van hydroxylgroepen tussen interfaces beïnvloedt niet alleen de beweging van koolstofnanobuisjes, maar ook de wrijving tussen interfaces. Figuur 3c toont de gemiddelde wrijving op koolstofnanobuisjes in zes gevallen, waarbij de verhouding van de hydroxylgroepen van de koolstofnanobuis en het Si-substraat 0/0, 0/10%, 5%/5%, 5%/10%, 10% is /10% en 10%/20%, respectievelijk. De resultaten laten zien dat de gemiddelde wrijving aanzienlijk toeneemt met de verhouding van de hydroxylgroepen. In de modellen a en b is de gemiddelde wrijvingskracht bijna nul. Omdat de oppervlakteruwheid toeneemt door de introductie van hydroxylgroepen, is de gemiddelde wrijving in model b groter dan die in ideaal model a. De inzet in figuur 3c laat zien dat de fluctuatie van de laterale kracht in model b groter is dan die in model a. In model c, omdat de koolstofnanobuis en het Si-substraat beide geënte hydroxylgroepen zijn, zijn de fluctuatie van laterale kracht en de gemiddelde wrijving aanzienlijk groter dan die in modellen a en b. Wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen 10%/20% is, neemt de gemiddelde wrijving toe tot ongeveer 2,19 nN.

Voor meer diepgaande inzichten in het mechanisme van het wrijvings- en bewegingsgedrag hebben we de chemische bindingen tijdens beweging bestudeerd. We zien dat waterstofbruggen worden gevormd tussen hydroxylgroepen op grensvlakken. De overeenkomstige gemiddelde aantallen waterstofbruggen in deze zes gevallen worden geïllustreerd in figuur 3d. De toename van het aantal waterstofbruggen leidt tot een hogere potentiële barrière en wrijving met de toename van de verhouding van de hydroxylgroepen. Dit is in de zin dat de waterstofbrug grote invloed had op wrijving [32].

Het bewegingsgedrag van koolstofnanobuisjes wordt niet alleen beïnvloed door de hydroxylgroepen tussen grensvlakken, maar ook door de snelheid van koolstofnanobuizen, vooral wanneer een grensvlakpotentiaalbarrière relatief laag is vanwege het kleine aantal grensvlak-hydroxylgroepen. Met de koolstofnanobuis met snelheden van 20, 50, 70 m/s, toont figuur 4a de coördinaat van een C-atoom in de z richting wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen van koolstof nanobuis en Si-substraat 5%/5% is. Met een snelheid van 20 m/s domineert het rollen in de beweging van koolstof nanobuisjes. Met een snelheid van 50 m/s beweegt koolstofnanobuis 50 nm in de x richting en rollen voor één ronde, wat betekent dat glijden en rollen afwisselend plaatsvinden. Met een snelheid van 70 m/s glijdt koolstofnanobuis voornamelijk op het substraat, vergezeld van een lichte rolbeweging. De reden is vergelijkbaar met het feit dat de geïntroduceerde hydroxylgroepen tussen oppervlakken de beweging van koolstofnanobuisjes kunnen afstemmen. Omdat de grensvlakbarrière relatief laag is, gaat de koolstofnanobuis er direct doorheen wanneer de kinetische energie van koolstofnanobuisjes groot is. Wanneer de kinetische energie echter laag is, heeft de koolstofnanobuis de neiging om te rollen om de grensvlakbarrière te verlagen. Bovendien wordt de curve van de gemiddelde wrijvingskracht met snelheid van koolstofnanobuisjes wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen 5%/5% is, getoond in figuur 4b. Wrijving neemt af met de snelheid, wat consistent is met het experimentele werk van andere onderzoekers [32].

een De coördinaat van een C-atoom op koolstofnanobuisjes in de z richting als functie van de tijd wanneer de koolstofnanobuis beweegt met snelheden van 20, 50 en 70 m/s. b De curve van de gemiddelde wrijvingskrachten met de snelheden van koolstofnanobuisjes. c De coördinaat van een C-atoom op de koolstofnanobuis in de z richting wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen op koolstofnanobuisjes en Si-substraat 5%/10% is. De uitgeoefende constante externe kracht op de koolstofnanobuis is 0,000625 nN in de x richting

Een soortgelijk resultaat kan worden verkregen door een constante externe kracht uit te oefenen op koolstofnanobuisjes in de x richting. Enerzijds, wanneer de externe kracht groot is, schuift de koolstofnanobuis alleen op het substraat. Aan de andere kant, als de kracht te klein is, kan de koolstofnanobuis niet bewegen. Als resultaat is er een rol-schuif overgang onder een constante externe kracht van 0,000625nN. Figuur 4c toont de coördinaat van een C-atoom op koolstofnanobuisjes in de z richting wanneer de verhouding van de hydroxylgroepen van koolstof nanobuis en Si-substraat 5%/10% is. Het resultaat laat zien dat de coördinaat van het C-atoom in de z richting neemt duidelijk toe in de eerste fase, wat wijst op een rollende modus. Dan, de coördinaat in de z richting verandert niet veel in de latere fase, wat betekent dat de glijdende modus domineert in de beweging. De reden is dat de kinetische energie van de koolstofnanobuis in het begin klein is, wat niet in staat is om de interfacebarrière direct te overwinnen, wat resulteert in rollen. Met de toename van de kinetische energie van de koolstofnanobuis verandert het bewegingsgedrag van rollen naar glijden.

We onderzoeken verder de invloed van de chirale hoek, diameter en lengte van koolstofnanobuisjes op hun bewegingsgedrag. Eerst onderzoeken we het chirale hoekeffect met behulp van vijf configuraties, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6) en SWCNT (15,0), die verschillende hoeken, maar hebben bijna dezelfde diameters. De resultaten laten zien dat hun bewegingsgedrag hetzelfde is als dat van SWCNT (10,10), wat aangeeft dat het effect van de chirale hoek op het bewegingsgedrag van geënte hydroxyl-koolstof nanobuisjes kan worden verwaarloosd. Vervolgens selecteren we SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) en SWCNT (25,25) om de invloed van diameter te bestuderen. De resultaten van modellen a en b zijn vergelijkbaar met die van SWCNT (10,10). In model c zijn de resultaten echter anders dan die van SWCNT (10,10). Wanneer de bewegingsmodus van SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) en SWCNT (25,25) verandert in continu rollen, is de verhouding van de hydroxylgroepen 10%/25%, 15%/30% en 20%/30%, respectievelijk. Hoe groter de diameter, hoe hoger de verhouding van de hydroxylgroepen wanneer de bewegingsmodus verandert. De reden kan worden toegeschreven aan de verandering van het interface-contactgebied. De interfacestructuren laten zien dat SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) en SWCNT (25,25) allemaal een platform op de bodem hebben, zoals weergegeven in Fig. 5, waardoor de hogere wrijving en de moeilijkheid om rollen. Een hogere verhouding van hydroxylgroepen biedt een sterkere interface-interactie en resulteert uiteindelijk in het optreden van walsen. SWCNT (7,7) en SWCNT (10,10) hebben beide geen platform op de bodem, en dan is het bewegingsgedrag van SWCNT (7,7) bijna hetzelfde als dat van SWCNT (10,10). Ten slotte onderzoeken we het lengte-effect op beweging door de lengte van SWCNT (10,10) te veranderen. Drie lengtes, 21,7, 54,3 en 81,4 nm, worden expliciet onder de loep genomen. We vinden dat het bewegingsgedrag van SWCNT (10,10) met een lengte van 21,7 nm consistent is met het initiële model c. In gevallen met een lengte van 54,3 en 81,4 nm vertonen ze echter een lichte buigvervorming tijdens het walsproces vanwege de grote aspectverhouding van lengte tot diameter.

De structuur van koolstofnanobuisjes op Si-substraat. een SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25)