Reguleren van koolstofnanobuizen glij-rol beweging door hydroxyle functionalisatie

Samenvatting

Het controleren van de beweging van koolstofnanobuizen is cruciaal in het manipuleren van nanodevices, inclusief nanorobots. Hier onderzoeken we het beweegedrag van SWCNT (10,10) op Si substraat met behulp van moleculaire dynamica simulaties. We tonen aan dat hydroxyle groepen een gevoelig effect hebben op de koolstofnanobuizen's bewegingsmodus. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding op koolstofnanobuizen en silicium substraat oppervlakken groter is dan 10 en 20%, respectievelijk, transformeert de beweging van de koolstofnanobuizen van glijden naar rollen. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding kleiner is, kan de glij- of rolmodus worden gecontroleerd door de snelheid van de koolstofnanobuizen, wat uiteindelijk bepaald wordt door de concurrentie tussen de interface potentiele energie en kinetische energie. De verandering van bewegingsmodus geldt voor verschillende koolstofnanobuizen met hydroxyle groepen. De chiraliteit heeft weinig effect op het bewegingsgedrag, in tegenstelling tot de diameter, toegeschreven aan de hydroxyle groepen verhouding. Onze studie suggereert een nieuwe route om het bewegingsgedrag van koolstofnanobuizen te controleren via hydroxyle groepen.

Achtergrond

Het controleren van de bewegingsgedragingen van nano-elektromechanische systemen (NEMS) en nanorobots is een complex en uitdagend kwestie door oppervlakte- en interface-effecten. De stimulatie van natuurlijke, synthetische, fysieke, en andere energiebronnen kan mechanische beweging van nano- en micromotoren controleren [1]. Bijvoorbeeld, het is mogelijk om niet-polair nanocars unidirectioneel te drijven [2] en vierwielige moleculen directioneel met behulp van een extern elektrisch veld [3] en thermisch moleculaire nanocars directioneel te drijven [4].

Koolstofnanobuizen spelen een belangrijke rol in NEMS vanwege hun uitstekende elektrische, mechanische, en thermische eigenschappen. Nanodevices gebaseerd op koolstofnanobuizen zoals nanotandwielen [5], nanomotoren [6, 7], nanolagers [8, 9], en nanoschaal elektromechanische actuatoren [10] zijn ontworpen. Het afstemmen van de beweging van deze nanodevices is nog steeds een open vraag. Onderzoeksdocumenten rapporteerden dat thermische gradiënt gebruikt werd om coaxiale nanobuizen te activeren [11]. Ondertussen bestudeerden onderzoekers factoren die het bewegingsgedrag van koolstofnanobuizen kunnen beïnvloeden, inclusief de commensurate of incommensurate toestand tussen interfaces [12], de deformatie van de koolstofnanobuizen [13,14,15], en de geïntroduceerde groepen zoals waterstoffen aan de uiteinden van een motor [16]. Onder deze factoren is het introduceren van functionele groepen op koolstofnanobuizen relatief eenvoudig te realiseren. Onderzoekers hebben het bewegings- en wrijvingseigenschappen van oppervlakte-gefluoreerde koolstofnanobuizen [17], grafeenoxide lagen met verschillende functionele groepen [18], en gewaterstofde grafeen [19, 20] bestudeerd. Echter, het effect van geïntroduceerde hydroxyle groepen op het bewegingsgedrag van koolstofnanobuizen is tot nu toe niet gerapporteerd. Dit papier demonstreert dat de introductie van hydroxyle groepen het rol- of glijgedrag van koolstofnanobuizen kan afstemmen. Onze studie kan licht werpen op directioneel gecontroleerde beweging van gesofisticeerde moleculaire mechanische systemen gebaseerd op koolstofnanobuizen, zoals tandwiel-en-pinion nanogear. Bovendien, voor andere cilindrische nanomaterialen, zoals nanoscrolls die grote potentieel hebben [21], bieden de resultaten ook een mogelijke manier voor de controle van hun beweging.

Methoden

De simulatiemodellen bestaan uit single-walled koolstofnanobuizen (10,10) (SWCNT's) en Si substraat. Drie verschillende structuren worden overwogen, zoals getoond in Fig. 1. Model a is een ideaal simulatiemodel (Fig. 1a), wat een horizontaal georiënteerde koolstofnanobuizen en Si substraat omvat. Model b bestaat uit koolstofnanobuizen en hydroxyle groep-bedekte Si substraat (Fig. 1b). Model c bestaat ook uit koolstofnanobuizen en Si substraat, maar beide delen zijn bedekt met hydroxyle groepen op de oppervlakken (Fig. 1c). De inhoud van hydroxyle groepen op het Si substraat verwijst naar de verhouding van het aantal hydroxyle groepen tot het aantal Si atomen op het oppervlak van het Si substraat. De dimensie van Si (0 0 1) substraat is 8,01 nm in de x richting en 7,98 nm in de y richting. Het Si substraat bestaat uit 5400 Si atomen.

De AIREBO potentieel [22] en TERSOFF potentieel [23] worden toegepast om de interacties tussen C atomen binnen de koolstofnanobuizen en die tussen Si atomen binnen het substraat te beschrijven. Aangezien de O atomen niet in het AIREBO potentieel worden overwogen, wordt een OPLS krachveld gebruikt om Si–O–H in Si substraat en C–O–H op koolstofnanobuizen te beschrijven [24,25,26,27]. De waterstofbrug tussen interfaces in model c wordt berekend door het DREIDING krachveld [28]. De Van der Waals kracht tussen de koolstofnanobuizen en Si substraat wordt beschreven door Classic 12-6 Lennard-Jones (L-J) potentieel [29]. De parameters voor C, H, en O kunnen in literatuur gevonden worden [25], en de parameters voor Si in literatuur [28]. De beweging van de koolstofnanobuizen die hier gepresenteerd wordt, wordt gesimuleerd door Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [30]. Alle simulaties worden uitgevoerd in de canoniek ensemble (NVT). De systeemtemperatuur is 300 K. Vergelijking van de resultaten met Nosé-Hoover thermostaat en de Langevin thermostaat in model a, toont aan dat de Langevin thermostaat de beweging van de koolstofnanobuizen nauwelijks beïnvloedt en het systeem makkelijker evenwicht laat bereiken. Daarom wordt de Langevin thermostaat in simulaties geadopteerd. De dempingscoëfficiënt van de Langevin thermostaat, t_r, die verwijst naar de bijdrage van willekeurige krachten in de Langevin vergelijking, is ingesteld op 0,1 ps voor alle gevallen [31]. De bodemlaag atomen van Si substraat zijn vastgezet om Si wafer te simuleren. Periodieke randvoorwaarden worden toegepast langs de x en y richtingen. Om dezelfde periodieke randvoorwaarde voor koolstofnanobuizen en Si substraat in de y richting te voeren, wordt Si substraat 1,90% gecomprimeerd langs de y richting, wat klein is; daarom kan de invloed op de koolstofnanobuizen's beweging genegeerd worden. De numerieke integratie van de dynamische vergelijkingen wordt uitgevoerd door het Velocity-Verlet algoritme met een tijdstap van 0,001 ps. Het simulatieproces is als volgt. Ten eerste wordt de structuur van het simulatiesysteem geoptimaliseerd door energie minimalisatie. Dan wordt de relaxatie 100 ps uitgevoerd om te verzekeren dat het systeem evenwicht bereikt. Ten slotte wordt een constante snelheid of een constante kracht op de koolstofnanobuizen langs de x richting ingesteld om het te laten bewegen op het Si substraat. De constante snelheid langs de x richting wordt uitgevoerd door de laterale kracht van het centrum van de koolstofnanobuizen nul in te stellen.

Resultaten en discussie

We stelden eerst een constante translationele snelheid 10 m/s in voor koolstofnanobuizen in de x richting. In zowel modellen a als b, glijdt de koolstofnanobuizen op het substraat. Echter, rollen treedt op in model c waar de koolstofnanobuizen en het Si substraat beide bedekt zijn met hydroxyle groepen. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding van koolstofnanobuizen en Si substraat beide 10% zijn, rol de koolstofnanobuizen op het Si substraat, vergezeld door licht glijden (Aanvullend bestand 1: Movie S1). Bovendien, als de hydroxyle groepen verhouding op de koolstofnanobuizen en Si substraat 10 en 20% zijn, respectievelijk, blijft de koolstofnanobuizen rollen op het Si substraat tijdens de simulatiettijd (Aanvullend bestand 2: Movie S2). Figuur 2a toont de driedimensionale beweegtraject van een C atoom op koolstofnanobuizen wanneer de hydroxyle groepen verhouding op koolstofnanobuizen en Si substraat 10 en 20% zijn, respectievelijk. De beweging van het C atoom vertegenwoordigt de beweging van de koolstofnanobuizen omdat de koolstofnanobuizen hun vorm niet zichtbaar zal veranderen. De coördinaat van de koolstofnanobuizen in de z richting beweegt duidelijk omhoog en omlaag, 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 duidt op de beweging van rollen. De koolstofnanobuizen beweegt ongeveer 10,8 nm in de x richting. Omdat de constante snelheid 10 m/s in de x richting wordt toegepast op de koolstofnanobuizen, wat de koolstofnanobuizen 9,5 nm in de x richting laat bewegen tijdens het 950-ps beweegproces. Daarom is de extra bewegingsafstand in de x richting 1,3 nm. De waarde is gelijk aan het maximum van z verplaatsing, wat aangeeft dat rollen dominant is in de beweging. Behalve, het lichte glijden in de y richting treedt ook op. De reden kan toegeschreven worden aan het ongelijkwicht kracht langs de axiale richting van de koolstofnanobuizen door de willekeurige verdeling van hydroxyle groepen, wat de koolstofnanobuizen laat glijden langs de y richting. Vergelijkbare verschijnselen kunnen in een ander onderzoekswerk gevonden worden [31]. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding op de koolstofnanobuizen en Si substraat verandert naar 5% en 5%, en 5% en 10%, wordt de beweging van de koolstofnanobuizen anders. Figuur 2b toont de positie van een C atoom in de z richting wanneer de hydroxyle groepen verhouding op koolstofnanobuizen en Si substraat 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%, en 10%/20% zijn, respectievelijk. In de gevallen dat de hydroxyle groepen verhouding 5%/5% en 5%/10% is, is glijden de belangrijkste beweging, vergezeld door licht rollen. In het geval wanneer hydroxyle groepen verhouding 5%/5% is, glijdt de koolstofnanobuizen ongeveer 500 ps vergezeld door licht rollen en rol dan ongeveer 500 ps. In het geval wanneer hydroxyle groepen verhouding 5%/10% is, glijdt de koolstofnanobuizen ongeveer 500 ps met licht rollen en blijft dan glijden.

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

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

Om het mechanisme van de verandering van bewegingsmodus door hydroxyle groepen vast te stellen, onderzoeken we de interface potentiele energie onder verschillende omstandigheden, aangezien SWCNT's bewegingsgedrag beïnvloed wordt door interface potentiele barrière [15]. De interfaciale potentiële energiëen tussen koolstofnanobuizen en Si substraat in modellen a en c worden getoond in Fig. 3a, b, wat verkregen is door de koolstofnanobuizen te laten glijden over het substraat voor 20,0 en 20,0 nm langs de x en y richtingen, respectievelijk, na relaxatie. In model c, wordt het geval met de hydroxyle groepen verhouding van koolstofnanobuizen en Si substraat 10%/20% geselecteerd omdat de koolstofnanobuizen onder deze voorwaarde blijft rollen. In het ideale model a, vanwege de incommensurate toestand tussen de koolstofnanobuizen en Si substraat, is de verdeling van de potentiele energie tussen interfaces gelijkmatig. Als resultaat glijdt de koolstofnanobuizen op het substraat. Echter, in model c, leidt de interactie van hydroxyle groepen tussen interfaces tot een enorme verandering van interfaciale potentiele energie. De piek van lokale potentiele barrière bereikt zelfs de orde van 10⁷ eV. De willekeurige verdeling van hydroxyle groepen veroorzaakt de uniforme verdeling van de hoge potentiele barrière. Daarom kan de koolstofnanobuizen de potentiele barrière niet direct oversteken, wat resulteert in rollen om de interfaciale potentiele barrière te verlagen. Omdat de potentiele barrière het hele oppervlak bedekt door willekeurige verdeling van hydroxyle groepen, blijft de koolstofnanobuizen rollen langs de x richting. Voor de gevallen waarin de verhouding van hydroxyle groepen van koolstofnanobuizen en Si substraat 5%/5%, 5%/10%, en 10%/10% is, is hun potentiele barrière relatief lager dan het geval waarin de hydroxyle groepen verhouding 10%/20% is. De reden is dat minder hydroxyle groepen op het interface resulteren in zwakkere interactie. Wanneer de kinetische energie van de koolstofnanobuizen hoger is dan de barrière, glijdt het. Anders begint de koolstofnanobuizen te rollen.

De introductie van hydroxyle groepen tussen interfaces beïnvloedt niet alleen de beweging van koolstofnanobuizen maar ook de wrijving tussen interfaces. Figuur 3c toont de gemiddelde wrijving op koolstofnanobuizen in zes gevallen, waar de hydroxyle groepen verhouding van de koolstofnanobuizen en Si substraat 0/0, 0/10%, 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%, en 10%/20% is, respectievelijk. De resultaten tonen aan dat de gemiddelde wrijving significant toeneemt met de hydroxyle groepen verhouding. In modellen a en b is de gemiddelde wrijvingskracht bijna nul. Aangezien oppervlakteruwheid toeneemt door de introductie van hydroxyle groepen, is gemiddelde wrijving in model b groter dan die in ideaal model a. De inset in Fig. 3c toont de fluctuatie van laterale kracht in model b is groter dan die in model a. In model c, omdat de koolstofnanobuizen en Si substraat beide gegrifte hydroxyle groepen zijn, zijn de fluctuatie van laterale kracht en de gemiddelde wrijving significant groter dan die in modellen a en b. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding 10%/20% is, neemt de gemiddelde wrijving toe tot ongeveer 2,19 nN.

Voor meer diepgang inzichten in het mechanisme van de wrijving en bewegingsgedrag, hebben we de chemische bindingen tijdens beweging bestudeerd. We observeren dat waterstofbruggen vormen tussen hydroxyle groepen op interfaces. De bijbehorende gemiddelde waterstofbrug aantallen in deze zes gevallen zijn geïllustreerd in Fig. 3d. De toename van het waterstofbrug aantal leidt tot hogere potentiele barrière en wrijving met de toename van de hydroxyle groepen verhouding. Dit is in overeenstemming met dat de waterstofbrug grote invloed had op wrijving [32].

Het bewegingsgedrag van koolstofnanobuizen wordt niet alleen beïnvloed door de hydroxyle groepen tussen interfaces maar ook door de snelheid van koolstofnanobuizen, met name wanneer een interfaciale potentiele barrière relatief laag is door het kleine aantal interfaciale hydroxyle groepen. Met de koolstofnanobuizen bij snelheden van 20, 50, 70 m/s, toont Fig. 4a de coördinaat van een C atoom in de z richting wanneer de hydroxyle groepen verhouding van koolstofnanobuizen en Si substraat 5%/5% is. Bij de snelheid van 20 m/s, domineert rollen in de koolstofnanobuizen's beweging. Bij de snelheid van 50 m/s, beweegt de koolstofnanobuizen 50 nm in de x richting en rolt voor één rondje, wat betekent dat glijden en rollen afwisselend optreden. Bij de snelheid van 70 m/s, glijdt de koolstofnanubuizen voornamelijk op het substraat vergezeld door een lichte rolling. De reden is vergelijkbaar met dat de geïntroduceerde hydroxyle groepen tussen oppervlakken de beweging van koolstofnanobuizen kan afstemmen. Aangezien de interface barrière relatief laag is, wanneer de kinetische energie van de koolstofnanobuizen groot is, passeert de koolstofnanobuizen direct doorheen. Echter, wanneer de kinetische energie laag is, neigt de koolstofnanobuizen te rollen om de interface barrière te verlagen. Bovendien wordt de curve van de gemiddelde wrijvingskracht met snelheid van koolstofnanobuizen wanneer de hydroxyle groepen verhouding 5%/5% is, getoond in Fig. 4b. Wrijving neemt af met snelheid, wat consistent is met ander onderzoekers experimenteel werk [32].

Een vergelijkbaar resultaat kan verkregen worden door een constante externe kracht toe te passen op koolstofnanobuizen in de x richting. Aan de ene kant, wanneer de externe kracht groot is, glijdt de koolstofnanobuizen alleen op het substraat. Aan de andere kant, als de kracht te klein is, kan de koolstofnanobuizen niet bewegen. Als resultaat is er een rol-glij overgang onder een constante externe kracht van 0,000625 nN. Figuur 4c toont de coördinaat van een C atoom op koolstofnanobuizen in de z richting wanneer de hydroxyle groepen verhouding van koolstofnanobuizen en Si substraat 5%/10% is. Het resultaat toont dat de coördinaat van het C atoom in de z richting duidelijk toeneemt in de eerste fase, wat een rollende modus aangeeft. Dan verandert de coördinaat in de z richting niet veel in de latere fase, wat betekent dat glijden modus domineert in de beweging. De reden is dat de kinetische energie van de koolstofnanobuizen klein is in het begin, wat niet in staat is de interface barrière direct te overwinnen, wat resulteert in rollen. Met de toename van de kinetische energie van de koolstofnanobuizen, transformeert het bewegingsgedrag van rol naar glijden.

We onderzoeken verder de invloed van chirale hoek, diameter, en lengte van koolstofnanobuizen op hun bewegingsgedrag. Ten eerste onderzoeken we het chirale hoek effect met vijf configuraties, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6), en SWCNT (15,0), die varierende hoeken hebben maar bijna dezelfde diameters. De resultaten tonen aan dat hun bewegingsgedrag hetzelfde is als dat van SWCNT (10,10), wat aangeeft dat het effect van chirale hoek op het bewegingsgedrag van gehydroxyleerde koolstofnanobuizen verwaarloosbaar is. 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). Echter, in model c, zijn de resultaten 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 hydroxyle groepen verhouding 10%/25%, 15%/30%, en 20%/30%, respectievelijk. Hoe groter de diameter, hoe hoger de hydroxyle groepen verhouding wanneer de bewegingsmodus verandert. De reden kan toegeschreven worden aan de verandering van interface contactoppervlak. De interface structuren tonen aan dat SWCNT (15,15), SWCNT (20,20), en SWCNT (25,25) allemaal een platform aan de onderkant hebben, zoals getoond in Fig. 5, wat hogere wrijving en moeilijkheid om te rollen veroorzaakt. Hogere verhouding van hydroxyle groepen biedt sterkere interface interactie en resulteert uiteindelijk in het optreden van rollen. SWCNT (7,7) en SWCNT (10,10) hebben allebei geen platform aan de onderkant, en dan is het bewegingsgedrag van SWCNT (7,7) bijna hetzelfde als dat van SWCNT (10,10). Ten slotte verkennen 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 onderzocht. We vinden dat het bewegingsgedrag van SWCNT (10,10) met de lengte van 21,7 nm consistent is met het initiële model c. Echter, in gevallen met lengtes van 54,3 en 81,4 nm, vertonen ze lichte buigdeformatie tijdens het rolproces door de grote aspectverhouding van lengte tot diameter.

Conclusies

Samengevat, onthullen we dat de introductie van hydroxyle groepen tussen de interfaces leidt tot de vorming van waterstofbruggen, wat de interface barrière en wrijving verhoogt. De bewegingsmodus (glijden of rollen) van koolstofnanobuizen op Si substraat kan worden afgestemd door de geïntroduceerde hydroxyle groepen verhouding op de interfaces en de snelheid van koolstofnanobuizen. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding op koolstofnanobuizen en Si substraat klein zijn (< 10%/20%), hangt de beweging van koolstofnanobuizen af van interface potentiele barrière en kinetische energie. Als de kinetische energie van koolstofnanobuizen hoog is, glijdt de koolstofnanobuizen op het substraat. Anders neigt de koolstofnanobuizen te rollen om de barrière te verlagen. Wanneer de hydroxyle groepen verhouding op koolstofnanobuizen en Si substraat hoger is dan 10%/20%, waarin de interfaciale potentiele energie barrière erg hoog is, blijft de koolstofnanobuizen rollen. Het afstemmen van de bewegingsmodus is haalbaar voor CNT's met verschillende chirale hoeken, lengtes, en diameters door de hydroxyle groepen verhouding aan te passen. Het effect van de hydroxyle groep op de bewegingsmodus van de koolstofnanobuizen kan gebruikt worden om de beweging van CNT te controleren, en programmeerbare nanodevices kunnen gefabriceerd worden.

Afkortingen

LAMMPS:

Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator

NEMS:

Nano-elektromechanische systemen

SWCNT's:

Single-walled koolstofnanobuizen