Réglage du mode de mouvement Slide-Roll des nanotubes de carbone via des groupes hydroxyle

Contexte

Le contrôle des comportements de mouvement des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) et des nanorobots est un problème complexe et difficile en raison des effets de surface et d'interface. La stimulation de sources d'énergie naturelles, synthétiques, physiques et autres peut contrôler le mouvement mécanique des nano- et micromoteurs [1]. Par exemple, il est possible de conduire des nanocars non polaires de manière unidirectionnelle [2] et des molécules à quatre roues directionnelles à l'aide d'un champ électrique externe [3] et de conduire thermiquement des nanocars moléculaires de manière directionnelle [4].

Les nanotubes de carbone jouent un rôle important dans les NEMS en raison de leurs excellentes propriétés électriques, mécaniques et thermiques. Des nanodispositifs basés sur des nanotubes de carbone tels que des nanoengrenages [5], des nanomoteurs [6, 7], des nanopaliers [8, 9] et des actionneurs électromécaniques à l'échelle nanométrique [10] ont été conçus. Cependant, régler le mouvement de ces nanodispositifs reste une question ouverte. Des documents de recherche ont rapporté que le gradient thermique était utilisé pour actionner les nanotubes coaxiaux [11]. Pendant ce temps, les chercheurs ont étudié les facteurs qui pourraient influencer le comportement de mouvement des nanotubes de carbone, y compris l'état commensurable ou incommensurable entre les interfaces [12], la déformation des nanotubes de carbone [13,14,15] et les groupes introduits tels que les hydrogènes à les extrémités d'un moteur [16]. Parmi ces facteurs, l'introduction de groupes fonctionnels sur les nanotubes de carbone est relativement facile à réaliser. Les chercheurs ont étudié les propriétés de mouvement et de friction des nanotubes de carbone fluorés en surface [17], des couches d'oxyde de graphène avec différents groupes fonctionnels [18] et du graphène hydrogéné [19, 20]. Cependant, l'effet des groupes hydroxyle introduits sur le comportement en mouvement des nanotubes de carbone n'a pas été rapporté jusqu'à présent. Cet article démontre que l'introduction de groupes hydroxyle peut régler le comportement de roulement ou de glissement du nanotube de carbone. Notre étude pourrait faire la lumière sur le mouvement à contrôle directionnel de systèmes mécaniques moléculaires sophistiqués basés sur des nanotubes de carbone, tels que le nanoengrenage à crémaillère et pignon. De plus, pour d'autres nanomatériaux cylindriques, tels que les nanoscrolls qui ont un grand potentiel [21], les résultats fournissent également un moyen possible pour le contrôle de leur mouvement.

Méthodes

Les modèles de simulation sont composés de nanotubes de carbone monoparoi (10,10) (SWCNT) et de substrat Si. Trois structures différentes sont considérées, comme le montre la figure 1. Le modèle a est un modèle de simulation idéal (figure 1a), qui comprend des nanotubes de carbone orientés horizontalement et un substrat de silicium. Le modèle b est composé de nanotubes de carbone et d'un substrat Si recouvert de groupes hydroxyle (Fig. 1b). Le modèle c est également composé de nanotubes de carbone et de substrat de Si, mais les deux parties sont recouvertes de groupes hydroxyles sur les surfaces (Fig. 1c). La teneur en groupes hydroxyle sur le substrat Si fait référence au rapport du nombre de groupes hydroxyle sur le nombre d'atomes Si sur la surface du substrat Si. La dimension du substrat Si (0 0 1) est de 8,01 nm dans le x direction et 7,98 nm dans le y direction. Le substrat de Si est constitué de 5 400 atomes de Si.

Modèles de simulation. un Idéal. b Substrat Si recouvert de groupes hydroxyle. c Le nanotube de carbone et le substrat Si sont tous deux recouverts de groupes hydroxyle

Le potentiel AIREBO [22] et le potentiel TERSOFF [23] sont appliqués pour décrire les interactions entre les atomes de C dans le nanotube de carbone et celles entre les atomes de Si dans le substrat, respectivement. Étant donné que les atomes O ne sont pas pris en compte dans le potentiel AIREBO, un champ de force OPLS est utilisé pour décrire Si–O–H dans un substrat de Si et C–O–H sur un nanotube de carbone [24,25,26,27]. La liaison hydrogène entre les interfaces dans le modèle c est calculée par le champ de force DREIDING [28]. La force de Van der Waals entre le nanotube de carbone et le substrat Si est décrite par le potentiel classique 12-6 de Lennard-Jones (L-J) [29]. Les paramètres pour C, H et O peuvent être trouvés dans la littérature [25], et les paramètres pour Si sont dans la littérature [28]. Le mouvement du nanotube de carbone présenté ici est simulé par Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [30]. Toutes les simulations sont effectuées dans l'ensemble canonique (NVT). La température du système est de 300 K. En comparant les résultats obtenus avec le thermostat Nosé-Hoover et le thermostat Langevin dans le modèle a, il montre que le thermostat Langevin influence presque le mouvement du nanotube de carbone et permet au système d'atteindre l'équilibre plus facilement. Par conséquent, le thermostat Langevin est adopté dans les simulations. Le coefficient d'amortissement du thermostat Langevin, t _r , qui fait référence à la contribution des forces aléatoires dans l'équation de Langevin, est fixée à 0,1 ps pour tous les cas [31]. Les atomes de la couche inférieure du substrat de Si sont fixés pour simuler une tranche de Si. Les conditions aux limites périodiques sont appliquées le long du x et y directions. Pour effectuer la même limite périodique pour le nanotube de carbone et le substrat Si dans le y direction, le substrat Si est comprimé à 1,90 % le long du y direction, qui est petite; par conséquent, l'influence sur le mouvement des nanotubes de carbone peut être ignorée. L'intégration numérique des équations de dynamique est réalisée par l'algorithme Velocity-Verlet avec un pas de temps de 0,001 ps. Le processus de simulation est le suivant. Premièrement, la structure du système de simulation est optimisée grâce à la minimisation de l'énergie. Ensuite, la relaxation est effectuée pendant 100 ps pour s'assurer que le système atteint l'équilibre. Enfin, une vitesse constante ou une force constante sur le nanotube de carbone le long du x direction est définie pour le faire se déplacer sur le substrat Si. La vitesse constante le long du x direction est effectuée en réglant la force latérale du centre du nanotube de carbone à zéro.

Résultats et discussion

Nous avons d'abord défini une vitesse de translation constante de 10 m/s pour le nanotube de carbone dans le x direction. Dans les deux modèles a et b, le nanotube de carbone glisse sur le substrat. Cependant, le laminage se produit dans le modèle c où le nanotube de carbone et le substrat de Si sont tous deux recouverts de groupes hydroxyle. Lorsque le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat Si est tous les deux de 10 %, le nanotube de carbone roule sur le substrat Si, accompagné d'un léger glissement (Fichier supplémentaire 1 :Film S1). De plus, si le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si est respectivement de 10 et 20 %, le nanotube de carbone continue de rouler sur le substrat de Si pendant le temps de simulation (Fichier supplémentaire 2 : Movie S2). La figure 2a montre la trajectoire de mouvement tridimensionnelle d'un atome de C sur un nanotube de carbone lorsque le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si est de 10 et 20 %, respectivement. Le mouvement de l'atome C représente le mouvement du nanotube de carbone car le nanotube de carbone ne changera évidemment pas de forme. Coordonnée du nanotube de carbone dans le z direction monte et descend évidemment, et le maximum de z le déplacement est d'environ 1,3 nm, ce qui est similaire au diamètre de SWCNT (10,10) de 1,38 nm. Le résultat indique le mouvement de roulis. Le nanotube de carbone se déplace d'environ 10,8 nm dans le x direction. Parce que la vitesse constante de 10 m/s dans le x direction est appliquée au nanotube de carbone, ce qui fait que le nanotube de carbone se déplace de 9,5 nm dans le x direction pendant le processus de mouvement de 950 ps. Par conséquent, la distance de déplacement supplémentaire dans le x la direction est de 1,3 nm. La valeur est égale au maximum du déplacement z, ce qui indique que le roulement est dominant dans le mouvement. De plus, le léger glissement dans le y direction se produit également. La raison peut être attribuée à la force de déséquilibre le long de la direction axiale du nanotube de carbone en raison de la distribution aléatoire des groupes hydroxyle, ce qui fait glisser le nanotube de carbone le long du y direction. Des phénomènes similaires peuvent être trouvés dans un autre travail de recherche [31]. Lorsque le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si passe à 5% et 5%, et 5% et 10%, le mouvement du nanotube de carbone devient différent. La figure 2b montre la position d'un atome de carbone dans le z direction lorsque le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si est de 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 % et 10 %/20 %, respectivement. Dans les cas où le rapport des groupes hydroxyle est de 5%/5 % et 5%/10%, le glissement est le mouvement majeur, accompagné d'un léger roulis. Dans le cas où le rapport des groupes hydroxyle est de 5%/5%, le nanotube de carbone glisse d'environ 500 ps accompagné d'un léger roulement puis roule d'environ 500 ps. Dans le cas où le rapport des groupes hydroxyle est de 5 %/10 %, le nanotube de carbone glisse d'environ 500 ps avec un léger roulement, puis continue de glisser.

un La trajectoire de mouvement tridimensionnelle d'un atome de C sur un nanotube de carbone. Le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat Si est de 10 et 20 %, respectivement. b La coordonnée d'un atome de C sur un nanotube de carbone dans le z direction en fonction du temps. Le rapport des groupes hydroxyle sur les nanotubes de carbone et le substrat Si est de 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 % et 10 %/20 %, respectivement

Fichier 1 supplémentaire :Films S1 . (AVI 4439 ko)

Fichier 2 supplémentaire :Films S2 . (AVI 4929 ko)

Pour établir le mécanisme du changement de mode de mouvement dû aux groupes hydroxyle, nous examinons l'énergie potentielle d'interface dans différentes conditions, car le comportement de mouvement des SWCNT est influencé par la barrière de potentiel d'interface [15]. Les énergies potentielles interfaciales entre le nanotube de carbone et le substrat de Si dans les modèles a et c sont affichées sur les figures 3a, b, qui sont obtenues en laissant le nanotube de carbone glisser sur le substrat sur 20,0 et 20,0 nm le long du x et y directions, respectivement, après relaxation. Dans le modèle c, le cas avec le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat de Si 10%/20% est sélectionné car le nanotube de carbone continue de rouler dans cette condition. Dans le modèle idéal a, du fait de l'état incommensurable entre le nanotube de carbone et le substrat de Si, la répartition de l'énergie potentielle entre les interfaces est régulière. En conséquence, le nanotube de carbone glisse sur le substrat. Cependant, dans le modèle c, l'interaction des groupes hydroxyle entre les interfaces conduit à un énorme changement d'énergie potentielle interfaciale. Le pic de barrière potentielle locale atteint même l'ordre de 10 ⁷ eV. La distribution aléatoire des groupes hydroxyle provoque la distribution uniforme de la barrière de potentiel élevé. Par conséquent, le nanotube de carbone ne peut pas traverser directement la barrière de potentiel, ce qui entraîne un roulement pour réduire la barrière de potentiel interfaciale. Parce que la barrière potentielle couvre toute la surface en raison de la distribution aléatoire des groupes hydroxyle, le nanotube de carbone continue de rouler le long du x direction. Dans les cas où le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat Si est de 5 %/5 %, 5 %/10 % et 10 %/10 %, leur barrière potentielle est relativement plus faible que le cas où les groupes hydroxyle ' le rapport est de 10 %/20 %. La raison en est que moins de groupes hydroxyle sur l'interface entraînent une interaction plus faible. Lorsque l'énergie cinétique du nanotube de carbone est supérieure à la barrière, il glisse. Sinon, le nanotube de carbone commence à rouler.

un , b L'énergie potentielle interfaciale entre le nanotube de carbone et le substrat Si. un Modèle idéal. b Le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat Si est de 10 %/20 %. c Le frottement moyen sur le nanotube de carbone dans les six cas. L'encart montre le frottement du nanotube de carbone avec le temps dans trois cas dans les modèles a, b et c. Le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat Si dans les modèles b et c est de 0/10 % et 10 %/10 %, respectivement. d Les nombres moyens de liaisons hydrogène dans les six cas de c

L'introduction de groupes hydroxyle entre les interfaces influence non seulement le mouvement du nanotube de carbone mais aussi le frottement entre les interfaces. La figure 3c montre le frottement moyen sur le nanotube de carbone dans six cas, où le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat Si est de 0/0, 0/10 %, 5 %/5%, 5 %/10 %, 10 % /10 % et 10 %/20 %, respectivement. Les résultats montrent que le frottement moyen augmente significativement avec le rapport des groupes hydroxyle. Dans les modèles a et b, la force de frottement moyenne est presque nulle. Étant donné que la rugosité de surface augmente en raison de l'introduction de groupes hydroxyle, le frottement moyen dans le modèle b est supérieur à celui du modèle idéal a. L'encart de la Fig. 3c montre que la fluctuation de la force latérale dans le modèle b est plus importante que celle du modèle a. Dans le modèle c, du fait que le nanotube de carbone et le substrat de Si sont tous deux greffés de groupes hydroxyle, la fluctuation de la force latérale et du frottement moyen sont significativement plus importantes que celles des modèles a et b. Lorsque le rapport des groupes hydroxyle est de 10 %/20 %, le frottement moyen augmente jusqu'à environ 2,19 nN.

Pour une compréhension plus approfondie du mécanisme du comportement de frottement et de mouvement, nous avons étudié les liaisons chimiques pendant le mouvement. Nous observons que des liaisons hydrogène se forment entre les groupes hydroxyles sur les interfaces. Les nombres moyens de liaisons hydrogène correspondants dans ces six cas sont illustrés sur la figure 3d. L'augmentation du nombre de liaisons hydrogène conduit à une barrière potentielle plus élevée et à un frottement avec l'augmentation du rapport des groupes hydroxyle. C'est dans le contenu que la liaison hydrogène a eu une grande influence sur le frottement [32].

Le comportement en mouvement des nanotubes de carbone est influencé non seulement par les groupes hydroxyle entre les interfaces, mais aussi par la vitesse des nanotubes de carbone, en particulier lorsqu'une barrière de potentiel interfaciale est relativement faible en raison du petit nombre de groupes hydroxyle interfaciaux. Avec le nanotube de carbone à des vitesses de 20, 50, 70 m/s, la figure 4a montre la coordonnée d'un atome de C dans le z direction lorsque le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat en Si est de 5%/5%. À la vitesse de 20 m/s, le roulement domine dans le mouvement des nanotubes de carbone. À la vitesse de 50 m/s, le nanotube de carbone se déplace de 50 nm dans le x direction et roule pour un tour, ce qui signifie que le glissement et le roulis se produisent alternativement. À la vitesse de 70 m/s, le nanotube de carbone glisse principalement sur le substrat accompagné d'un léger roulis. La raison est similaire au fait que les groupes hydroxyle introduits entre les surfaces peuvent ajuster le mouvement du nanotube de carbone. La barrière d'interface étant relativement faible, lorsque l'énergie cinétique du nanotube de carbone est importante, le nanotube de carbone la traverse directement. Cependant, lorsque l'énergie cinétique est faible, le nanotube de carbone a tendance à rouler pour abaisser la barrière d'interface. De plus, la courbe de la force de friction moyenne avec la vitesse du nanotube de carbone lorsque le rapport des groupes hydroxyle est de 5%/5 % est illustrée à la Fig. 4b. Le frottement diminue avec la vitesse, ce qui est cohérent avec les travaux expérimentaux d'autres chercheurs [32].

un La coordonnée d'un atome de C sur un nanotube de carbone dans le z direction en fonction du temps lorsque le nanotube de carbone se déplace à des vitesses de 20, 50 et 70 m/s. b La courbe des forces de frottement moyennes avec les vitesses du nanotube de carbone. c La coordonnée d'un atome de C sur le nanotube de carbone dans le z direction lorsque le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si est de 5%/10%. La force externe constante appliquée sur le nanotube de carbone est de 0,000625 nN dans le x sens

Un résultat similaire peut être obtenu en appliquant une force externe constante sur le nanotube de carbone dans le x direction. D'une part, lorsque la force extérieure est importante, le nanotube de carbone ne fait que glisser sur le substrat. En revanche, si la force est trop faible, le nanotube de carbone ne peut pas bouger. En conséquence, il y a une transition roulis-glissement sous une force externe constante de 0,000625nN. La figure 4c montre la coordonnée d'un atome de C sur un nanotube de carbone dans le z direction lorsque le rapport des groupes hydroxyle du nanotube de carbone et du substrat en Si est de 5%/10%. Le résultat montre que la coordonnée de l'atome C dans le z direction augmente évidemment dans la première étape, ce qui indique un mode de roulement. Ensuite, la coordonnée dans le z la direction ne change pas beaucoup plus tard, ce qui signifie que le mode de glissement domine dans le mouvement. La raison en est que l'énergie cinétique du nanotube de carbone est faible au début, ce qui n'est pas capable de surmonter directement la barrière d'interface, ce qui entraîne un roulement. Avec l'augmentation de l'énergie cinétique du nanotube de carbone, son comportement de mouvement se transforme du rouleau au glissement.

Nous étudions en outre l'influence de l'angle chiral, du diamètre et de la longueur des nanotubes de carbone sur leurs comportements de mouvement. Tout d'abord, nous examinons l'effet de l'angle chiral en utilisant cinq configurations, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6) et SWCNT (15,0), qui ont angles variables mais ont presque les mêmes diamètres. Les résultats montrent que leur comportement en mouvement est le même que celui des SWCNT (10,10), indiquant que l'effet de l'angle chiral sur le comportement en mouvement des nanotubes de carbone hydroxyle greffés peut être négligé. Ensuite, nous sélectionnons SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) et SWCNT (25,25) pour étudier l'influence du diamètre. Les résultats des modèles a et b sont similaires à ceux de SWCNT (10,10). Cependant, dans le modèle c, les résultats sont différents de ceux de SWCNT (10,10). Lorsque le mode de mouvement de SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) et SWCNT (25,25) passe au roulement continu, le rapport des groupes hydroxyle est de 10 %/25%, 15 %/30% et 20%/30%, respectivement. Plus le diamètre est grand, plus le rapport des groupes hydroxyle est élevé lorsque le mode de mouvement change. La raison peut être attribuée au changement de zone de contact de l'interface. Les structures d'interface montrent que SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) et SWCNT (25,25) ont tous une plate-forme sur le fond, comme le montre la Fig. 5, ce qui provoque le frottement plus élevé et la difficulté à rouleau. Un rapport plus élevé de groupes hydroxyle offre une interaction d'interface plus forte et entraîne finalement l'apparition d'un laminage. SWCNT (7,7) et SWCNT (10,10) n'ont pas tous deux de plate-forme en bas, et le comportement de mouvement de SWCNT (7,7) est presque le même que celui de SWCNT (10,10). Enfin, nous explorons l'effet de la longueur sur le mouvement en modifiant la longueur de SWCNT (10,10). Trois longueurs, 21,7, 54,3 et 81,4 nm, sont explicitement examinées. Nous constatons que le comportement de mouvement de SWCNT (10,10) avec une longueur de 21,7 nm est cohérent avec le modèle initial c. Cependant, dans les cas de longueurs de 54,3 et 81,4 nm, ils présentent une légère déformation de flexion pendant le processus de laminage en raison du rapport longueur/diamètre élevé.

La structure du nanotube de carbone sur substrat Si. un SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25)

Conclusions

En résumé, nous révélons que l'introduction de groupes hydroxyle entre les interfaces conduit à la formation de liaisons hydrogène, ce qui augmente la barrière d'interface et le frottement. Le mode de mouvement (glissière ou rouleau) du nanotube de carbone sur substrat Si peut être ajusté par le rapport des groupes hydroxyle introduits sur les interfaces et la vitesse du nanotube de carbone. Lorsque le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si est faible (< 10%/20%), le mouvement du nanotube de carbone dépend de la barrière potentielle de l'interface et de l'énergie cinétique. Si l'énergie cinétique du nanotube de carbone est élevée, le nanotube de carbone glisse sur le substrat. Sinon le nanotube de carbone a tendance à rouler pour abaisser la barrière. Lorsque le rapport des groupes hydroxyle sur le nanotube de carbone et le substrat de Si est supérieur à 10%/20%, dans lequel la barrière d'énergie potentielle interfaciale est très élevée, le nanotube de carbone continue de rouler. Le réglage du mode de mouvement est possible pour les CNT avec différents angles, longueurs et diamètres chiraux en ajustant le rapport des groupes hydroxyle. L'effet du groupe hydroxyle sur le mode de mouvement du nanotube de carbone pourrait être utilisé pour contrôler le mouvement des CNT, et des nanodispositifs programmables pourraient être fabriqués.

Abréviations

LAMMPS :

Simulateur atomique/moléculaire massivement parallèle à grande échelle

NEM :

Systèmes nanoélectromécaniques

SWCNT :

Nanotubes de carbone monoparoi