Régulation du mouvement glissement-roulement de nanotubes de carbone par fonctionnalisation hydroxylée

Résumé

Contrôler le mouvement des nanotubes de carbone est crucial dans la manipulation de nanodispositifs, incluant les nanorobots. Ici, nous étudions le comportement de mouvement de SWCNT (10,10) sur substrat Si en utilisant des simulations de dynamique moléculaire. Nous montrons que les groupes hydroxyles ont un effet sensible sur le mode de mouvement du nanotube de carbone. Lorsque le ratio de groupes hydroxyles sur les surfaces du nanotube de carbone et du substrat de silicium est supérieur à 10 % et 20 % respectivement, le mouvement du nanotube de carbone se transforme de glissement en roulement. Lorsque le ratio de groupes hydroxyles est plus faible, le mode glissement ou roulement peut être contrôlé par la vitesse du nanotube de carbone, qui est ultimement déterminée par la compétition entre l'énergie potentielle d'interface et l'énergie cinétique. Le changement de mode de mouvement vaut pour différents nanotubes de carbone avec groupes hydroxyles. La chiralité a peu d'effet sur le comportement de mouvement, contrairement au diamètre, attribué au ratio de groupes hydroxyles. Notre étude suggère une nouvelle voie pour contrôler le comportement de mouvement des nanotubes de carbone via les groupes hydroxyles.

Contexte

Contrôler les comportements de mouvement des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) et nanorobots est un problème complexe et challengant 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 de nano- et micro-moteurs. Par exemple, il est possible de piloter des nanocars non-polaires unidirectionnellement et des molécules à quatre roues directionnellement avec l'aide d'un champ électrique externe et de piloter thermiquement des nanocars moléculaires directionnellement.

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 nanoengrenages, nanomoteurs, nanoroulements et actionneurs électromécaniques à l'échelle nanométrique 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 des nanotubes coaxiaux. Pendant ce temps, les chercheurs ont étudié les facteurs qui pourraient influencer le comportement de mouvement des nanotubes de carbone, incluant l'état commensurable ou incommensurable entre interfaces, la déformation des nanotubes de carbone, et les groupes introduits tels que les hydrogènes aux extrémités d'un moteur. Parmi ces facteurs, l'introduction de groupes fonctionnels sur les nanotubes de carbone est relativement facile à réaliser. Les chercheurs ont étudié le mouvement et les propriétés de friction de nanotubes de carbone fluorés en surface, de couches d'oxyde de graphène avec différents groupes fonctionnels, et de graphène hydrogéné. Cependant, l'effet de groupes hydroxyles introduits sur le comportement de mouvement des nanotubes de carbone n'avait pas été rapporté jusqu'à maintenant. Ce papier démontre que l'introduction de groupes hydroxyles peut régler le comportement de roulement ou glissement du nanotube de carbone. Notre étude peut éclairer le mouvement contrôlé directionnellement de systèmes mécaniques moléculaires sophistiqués basés sur des nanotubes de carbone, tels que nanoengrenage crémaillère-pignon. De plus, pour d'autres nanomatériaux cylindriques, tels que les nanoscrolls qui ont un grand potentiel, les résultats fournissent aussi une voie possible pour le contrôle de leur mouvement.

Méthodes

Les modèles de simulation sont composés de nanotubes de carbone à paroi unique (10,10) (SWCNT) et de substrat Si. Trois structures différentes sont considérées, comme montré en Fig. 1. Le modèle a est un modèle de simulation idéal (Fig. 1a), qui inclut un nanotube de carbone orienté horizontalement et un substrat Si. Le modèle b est composé de nanotube de carbone et de substrat Si recouvert de groupes hydroxyles (Fig. 1b). Le modèle c est aussi composé de nanotube de carbone et de substrat Si, mais les deux parties sont recouvertes de groupes hydroxyles sur les surfaces (Fig. 1c). La teneur en groupes hydroxyles sur le substrat Si fait référence au ratio du nombre de groupes hydroxyles au nombre d'atomes Si sur la surface du substrat Si. La dimension du substrat Si (0 0 1) est 8,01 nm dans la direction x et 7,98 nm dans la direction y. Le substrat Si consiste en 5400 atomes Si.

Le potentiel AIREBO et le potentiel TERSOFF sont appliqués pour décrire les interactions entre atomes C dans le nanotube de carbone et ceux entre atomes Si dans le substrat, respectivement. Puisque les atomes O ne sont pas considérés dans le potentiel AIREBO, un champ de force OPLS est employé pour décrire Si-O-H dans le substrat Si et C-O-H sur le nanotube de carbone. La liaison hydrogène entre interfaces dans le modèle c est calculée par le champ de force DREIDING. 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). Les paramètres pour C, H et O peuvent être trouvés dans la littérature, et les paramètres pour Si sont dans la littérature. Le mouvement du nanotube de carbone présenté ici est simulé par Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). Toutes les simulations sont effectuées dans l'ensemble canonique (NVT). La température du système est 300 K. En comparant les résultats en utilisant le thermostat Nosé-Hoover et le thermostat Langevin dans le modèle a, il montre que le thermostat Langevin influence à peine le mouvement du nanotube de carbone et fait atteindre l'équilibre au système 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 fixé à 0,1 ps pour tous les cas. Les atomes de la couche inférieure du substrat Si sont fixés pour simuler une tranche de Si. Les conditions de bord périodiques sont appliquées le long des directions x et y. Pour conduire la même condition de bord périodique pour le nanotube de carbone et le substrat Si dans la direction y, le substrat Si est compressé de 1,90 % le long de la direction y, ce qui est petit ; par conséquent, l'influence sur le mouvement du nanotube de carbone peut être ignorée. L'intégration numérique des équations de la dynamique est effectuée 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 par minimisation d'énergie. Ensuite, la relaxation est conduite pendant 100 ps pour assurer que le système atteint l'équilibre. Finalement, une vitesse constante ou une force constante sur le nanotube de carbone le long de la direction x est définie pour le faire bouger sur le substrat Si. La vitesse constante le long de la direction x est conduite en définissant la force latérale du centre du nanotube de carbone à zéro.

Résultats et discussion

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

Pour établir le mécanisme du changement de mode de mouvement dû aux groupes hydroxyles, nous examinons l'énergie potentielle d'interface sous différentes conditions, car le comportement de mouvement des SWCNT est influencé par la barrière potentielle d'interface. Les énergies potentielles interfaciales entre nanotube de carbone et substrat Si dans les modèles a et c sont affichées en Fig. 3a, b, qui est obtenue en permettant au nanotube de carbone de glisser sur le substrat pour 20,0 et 20,0 nm le long des directions x et y respectivement, après relaxation. Dans le modèle c, le cas avec le ratio de groupes hydroxyles du nanotube de carbone et du substrat Si 10 %/20 % est sélectionné car le nanotube de carbone continue de rouler sous cette condition. Dans le modèle idéal a, en raison de l'état incommensurable entre le nanotube de carbone et le substrat Si, la distribution de l'énergie potentielle entre interfaces est uniforme. En conséquence, le nanotube de carbone glisse sur le substrat. Cependant, dans le modèle c, l'interaction des groupes hydroxyles entre interfaces mène à un changement énorme de l'énergie potentielle interfaciale. Le pic de barrière potentielle locale atteint même l'ordre de 10⁷ eV. La distribution aléatoire des groupes hydroxyles cause la distribution uniforme de la haute barrière potentielle. Par conséquent, le nanotube de carbone ne peut pas franchir la barrière potentielle directement, résultant en roulement pour réduire la barrière potentielle interfaciale. Parce que la barrière potentielle couvre toute la surface en raison de la distribution aléatoire des groupes hydroxyles, le nanotube de carbone continue de rouler le long de la direction x. Pour les cas où le ratio de groupes hydroxyles du nanotube de carbone et du substrat Si est 5 %/5 %, 5 %/10 % et 10 %/10 %, leur barrière potentielle est relativement plus basse que le cas où le ratio de groupes hydroxyles est 10 %/20 %. La raison est que moins de groupes hydroxyles sur l'interface résultent en une interaction plus faible. Lorsque l'énergie cinétique du nanotube de carbone est plus haute que la barrière, il glisse. Sinon, le nanotube de carbone commence à rouler.

L'introduction de groupes hydroxyles entre interfaces influence non seulement le mouvement du nanotube de carbone mais aussi la friction entre interfaces. La Figure 3c montre la friction moyenne sur le nanotube de carbone dans six cas, où le ratio de groupes hydroxyles du nanotube de carbone et du substrat Si est 0/0, 0/10 %, 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 % et 10 %/20 % respectivement. Les résultats exhibent que la friction moyenne augmente significativement avec le ratio de groupes hydroxyles. Dans les modèles a et b, la force de friction moyenne est près de zéro. Puisque la rugosité de surface augmente due à l'introduction de groupes hydroxyles, la friction moyenne dans le modèle b est plus grande que dans le modèle idéal a. L'inset en Fig. 3c montre la fluctuation de la force latérale dans le modèle b est plus grande que dans le modèle a. Dans le modèle c, parce que le nanotube de carbone et le substrat Si sont tous deux greffés de groupes hydroxyles, la fluctuation de la force latérale et la friction moyenne sont significativement plus grandes que celles dans les modèles a et b. Lorsque le ratio de groupes hydroxyles est 10 %/20 %, la friction moyenne augmente à environ 2,19 nN.

Pour des insights plus profonds du mécanisme de la friction et du comportement de mouvement, nous avons étudié les liaisons chimiques pendant le mouvement. Nous observons que des liaisons hydrogène se forment entre groupes hydroxyles sur les interfaces. Les nombres moyens correspondants de liaisons hydrogène dans ces six cas sont illustrés en Fig. 3d. L'incrément du nombre de liaisons hydrogène mène à une barrière potentielle et une friction plus élevées avec l'augmentation du ratio de groupes hydroxyles. Cela est en accord avec le fait que la liaison hydrogène a une grande influence sur la friction.

Le comportement de mouvement du nanotube de carbone est influencé non seulement par les groupes hydroxyles entre interfaces mais aussi par la vitesse des nanotubes de carbone, surtout lorsque une barrière potentielle interfaciale est relativement basse due au petit nombre de groupes hydroxyles interfaciaux. Avec le nanotube de carbone à des vitesses de 20, 50, 70 m/s, la Figure 4a montre la coordonnée d'un atome C dans la direction z lorsque le ratio de groupes hydroxyles du nanotube de carbone et du substrat Si est 5 %/5 %. À la vitesse de 20 m/s, le roulement domine dans le mouvement du nanotube de carbone. À la vitesse de 50 m/s, le nanotube de carbone se déplace de 50 nm dans la direction x et roule pour un tour, ce qui signifie que glissement et roulement se produisent alternativement. À la vitesse de 70 m/s, le nanotube de carbone glisse principalement sur le substrat accompagné d'un léger roulement. La raison est similaire à celle où les groupes hydroxyles introduits entre surfaces peuvent régler le mouvement du nanotube de carbone. Puisque la barrière d'interface est relativement basse, lorsque l'énergie cinétique du nanotube de carbone est grande, le nanotube de carbone la franchit directement. Cependant, lorsque l'énergie cinétique est basse, le nanotube de carbone tend 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 ratio de groupes hydroxyles est 5 %/5 % est montrée en Fig. 4b. La friction diminue avec la vitesse, ce qui est cohérent avec le travail expérimental d'autres chercheurs.

Un résultat similaire peut être obtenu en appliquant une force externe constante sur le nanotube de carbone dans la direction x. D'une part, lorsque la force externe est grande, le nanotube de carbone glisse seulement sur le substrat. D'autre part, si la force est trop petite, le nanotube de carbone ne peut pas bouger. En conséquence, il y a une transition roulement-glissement sous une force externe constante de 0,000625 nN. La Figure 4c montre la coordonnée d'un atome C sur le nanotube de carbone dans la direction z lorsque le ratio de groupes hydroxyles du nanotube de carbone et du substrat Si est 5 %/10 %. Le résultat montre que la coordonnée de l'atome C dans la direction z augmente évidemment dans la première étape, ce qui indique un mode de roulement. Ensuite, la coordonnée dans la direction z ne change pas beaucoup dans l'étape ultérieure, ce qui signifie que le mode glissement domine dans le mouvement. La raison est que l'énergie cinétique du nanotube de carbone est petite au début, ce qui n'est pas capable de surmonter la barrière d'interface directement, résultant en roulement. Avec l'augmentation de l'énergie cinétique du nanotube de carbone, son comportement de mouvement se transforme de roulement en glissement.

Nous étudions plus avant l'influence de l'angle chiral, du diamètre et de la longueur des nanotubes de carbone sur leurs comportements de mouvement. Premièrement, 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 des angles variables mais des diamètres presque identiques. Les résultats montrent que leur comportement de mouvement est le même que celui du SWCNT (10,10), indiquant que l'effet de l'angle chiral sur le comportement de mouvement des nanotubes de carbone greffés d'hydroxyles 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 du SWCNT (10,10). Cependant, dans le modèle c, les résultats sont différents de ceux du SWCNT (10,10). Lorsque le mode de mouvement de SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) et SWCNT (25,25) change en roulement continu, les ratios de groupes hydroxyles sont 10 %/25 %, 15 %/30 % et 20 %/30 % respectivement. Plus le diamètre est grand, plus le ratio de groupes hydroxyles est élevé quand le mode de mouvement change. La raison peut être attribuée au changement de la zone de contact d'interface. Les structures d'interface montrent que SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) et SWCNT (25,25) ont tous une plateforme sur le bas, comme montré en Fig. 5, ce qui cause une friction plus élevée et la difficulté à rouler. Un ratio plus élevé de groupes hydroxyles offre une interaction d'interface plus forte et résulte finalement en l'occurrence du roulement. SWCNT (7,7) et SWCNT (10,10) n'ont tous deux pas de plateforme sur le bas, et alors le comportement de mouvement de SWCNT (7,7) est presque le même que celui de SWCNT (10,10). Finalement, nous explorons l'effet de la longueur sur le mouvement en changeant la longueur de SWCNT (10,10). Trois longueurs, 21,7, 54,3 et 81,4 nm, sont explicitement scrutées. Nous trouvons que le comportement de mouvement de SWCNT (10,10) avec la longueur de 21,7 nm est cohérent avec le modèle c initial. Cependant, dans les cas avec des longueurs de 54,3 et 81,4 nm, ils exhibent une légère déformation de flexion pendant le processus de roulement due au grand rapport d'aspect longueur/diamètre.

Conclusions

En résumé, nous révélons que l'introduction de groupes hydroxyles entre les interfaces mène à la formation de liaisons hydrogène, ce qui augmente la barrière d'interface et la friction. Le mode de mouvement (glissement ou roulement) du nanotube de carbone sur substrat Si peut être réglé par le ratio de groupes hydroxyles introduits sur les interfaces et la vitesse du nanotube de carbone. Lorsque les ratios de groupes hydroxyles sur le nanotube de carbone et le substrat Si sont petits (< 10 %/20 %), le mouvement du nanotube de carbone dépend de la barrière potentielle d'interface et de l'énergie cinétique. Si l'énergie cinétique du nanotube de carbone est haute, le nanotube de carbone glisse sur le substrat. Sinon, le nanotube de carbone tend à rouler pour abaisser la barrière. Lorsque le ratio de groupes hydroxyles sur le nanotube de carbone et le substrat Si est plus élevé que 10 %/20 %, dans lequel la barrière d'énergie potentielle interfaciale est très haute, le nanotube de carbone continue de rouler. Le réglage du mode de mouvement est faisable pour des CNTs avec différents angles chiraux, longueurs et diamètres en ajustant le ratio de groupes hydroxyles. 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 :

Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator

NEMS :

Systèmes nanoélectromécaniques

SWCNT :

Nanotube de carbone à paroi unique