하이드록실 그룹을 통해 탄소 나노튜브의 슬라이드-롤 동작 모드 조정

결과 및 토론

먼저 x에서 탄소 나노튜브의 일정한 병진 속도를 10m/s로 설정했습니다. 방향. 모델과 b 모두에서 탄소 나노튜브는 기판 위에서 미끄러집니다. 그러나 탄소 나노튜브와 Si 기판이 모두 수산기로 덮인 모델 c에서 롤링이 발생합니다. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 모두 10%일 때 탄소나노튜브가 Si 기판 위에서 구르면서 약간의 미끄러짐이 발생합니다(추가 파일 1:Movie S1). 또한 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 각각 10%와 20%이면 시뮬레이션 시간 동안 탄소나노튜브가 Si 기판 위에서 계속 굴러갑니다(추가 파일 2:Movie S2). 그림 2a는 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 각각 10%와 20%일 때 탄소나노튜브의 C 원자의 3차원 운동 궤적을 보여줍니다. C 원자의 움직임은 탄소나노튜브의 움직임을 나타내는데, 그 이유는 탄소나노튜브가 모양을 분명히 바꾸지 않을 것이기 때문입니다. 탄소나노튜브의 z 좌표 방향은 분명히 위아래로 움직이며 최대 z 변위는 약 1.3nm이며, 이는 1.38nm의 SWCNT(10,10) 직경과 유사합니다. 결과는 롤링의 동작을 나타냅니다. 탄소 나노튜브는 x에서 약 10.8nm 이동합니다. 방향. x에서 등속 10m/s이기 때문에 방향이 탄소 나노튜브에 적용되어 탄소 나노튜브가 x에서 9.5nm 이동합니다. 950ps 모션 프로세스 동안 방향. 따라서 x의 추가 이동 거리는 방향은 1.3nm입니다. 이 값은 z 변위의 최대값과 같으며, 이는 롤링이 모션에서 지배적임을 나타냅니다. 게다가 y 방향도 생긴다. 그 이유는 탄소나노튜브가 y 방향으로 미끄러지게 만드는 수산기의 무작위 분포로 인한 탄소나노튜브의 축 방향을 따른 불균형력 때문일 수 있습니다. 방향. 이와 유사한 현상은 다른 연구에서도 찾아볼 수 있다[31]. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 5%와 5%, 5%와 10%로 변하면 탄소나노튜브의 움직임이 달라집니다. 그림 2b는 z에서 C 원자의 위치를 ​​보여줍니다. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 각각 5%/5%, 5%/10%, 10%/10% 및 10%/20%일 때 방향입니다. 수산기의 비율이 5%/5% 및 5%/10%인 경우 슬라이딩이 주요 이동이며 약간의 롤링이 동반됩니다. 수산기 비율이 5%/5%인 경우 탄소나노튜브는 약간의 롤링과 함께 약 500ps 슬라이드한 다음 약 500ps 롤링됩니다. 수산기 비율이 5%/10%인 경우 탄소나노튜브는 약 500ps의 약간의 롤링과 함께 미끄러졌다가 계속 미끄러진다.

아 탄소나노튜브에 있는 C 원자의 3차원 운동 궤적. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율은 각각 10%와 20%입니다. ㄴ z에서 탄소 나노튜브의 C 원자 좌표 시간의 함수로서의 방향. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율은 각각 5%/5%, 5%/10%, 10%/10% 및 10%/20%입니다.

추가 파일 1:영화 S1 . (AVI 4439kb)

추가 파일 2:영화 S2 . (AVI 4929kb)

수산기로 인한 움직임 모드의 변화 메커니즘을 확립하기 위해 SWCNT의 움직임 거동이 계면 전위 장벽에 의해 영향을 받기 때문에 다양한 조건에서 계면 전위 에너지를 조사합니다[15]. 모델 a와 c에서 탄소 나노튜브와 Si 기판 사이의 계면 전위 에너지는 그림 3a, b에 표시되어 있으며, 이는 탄소 나노튜브가 x 그리고 y 이완 후 각각의 방향. 모델 c에서 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 10%/20%인 경우는 탄소나노튜브가 이 조건에서 계속 회전하기 때문에 선택됩니다. 이상적인 모델 a에서는 탄소나노튜브와 Si 기판 사이의 균형이 맞지 않는 상태로 인해 계면 사이의 위치 에너지 분포가 균일합니다. 그 결과 탄소나노튜브가 기판 위에서 미끄러진다. 그러나 모델 c에서 계면 사이의 수산기 상호 작용은 계면 위치 에너지의 엄청난 변화를 초래합니다. 국부적 포텐셜 장벽의 최고점은 10 ⁷ 도 됩니다. eV. 수산기의 무작위 분포는 고전위 장벽의 균일한 분포를 유발합니다. 따라서 탄소나노튜브는 전위장벽을 직접적으로 통과할 수 없어 롤링을 일으켜 계면 전위장벽을 감소시킨다. 잠재적인 장벽은 수산기의 무작위 분포로 인해 전체 표면을 덮기 때문에 탄소 나노튜브는 x를 따라 계속 굴러갑니다. 방향. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%인 경우는 수산기가 수산기인 경우보다 전위 장벽이 상대적으로 낮습니다. ' 비율은 10%/20%입니다. 그 이유는 계면의 수산기가 적을수록 상호 작용이 약하기 때문입니다. 탄소나노튜브의 운동에너지가 장벽보다 높으면 미끄러진다. 그렇지 않으면 탄소나노튜브가 굴러다니기 시작합니다.

아 , b 탄소나노튜브와 Si 기판 사이의 계면 위치 에너지. 아 이상적인 모델입니다. ㄴ 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율은 10%/20%입니다. ㄷ 6개의 경우에서 탄소 나노튜브의 평균 마찰. 삽입된 그림은 모델 a, b, c의 세 가지 경우에서 시간에 따른 탄소나노튜브의 마찰을 보여줍니다. 모델 b와 c에서 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율은 각각 0/10% 및 10%/10%입니다. d c의 6가지 경우의 평균 수소 결합 수

계면 사이의 수산기 도입은 탄소나노튜브의 운동뿐만 아니라 계면 간의 마찰에도 영향을 미친다. 그림 3c는 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 0/0, 0/10%, 5%/5%, 5%/10%, 10%인 6가지 경우의 탄소나노튜브의 평균 마찰을 보여줍니다. /10% 및 10%/20%. 결과는 평균 마찰이 수산기의 비율에 따라 크게 증가함을 보여줍니다. 모델과 b에서 평균 마찰력은 거의 0입니다. 수산기의 도입으로 인해 표면 거칠기가 증가하기 때문에 모델 b의 평균 마찰은 이상적인 모델의 평균 마찰보다 큽니다. 그림 3c의 삽입은 모델 b에서 횡력의 변동이 모델 a보다 더 크다는 것을 보여줍니다. 모델 c에서 탄소나노튜브와 Si 기판은 모두 그라프트된 수산기이기 때문에 횡력의 변동과 평균 마찰은 모델 a와 b보다 훨씬 더 큽니다. 수산기의 비율이 10%/20%일 때 평균 마찰은 약 2.19nN으로 증가합니다.

마찰 및 운동 거동의 메커니즘에 대한 보다 심층적인 통찰력을 얻기 위해 우리는 운동 중 화학 결합을 연구했습니다. 우리는 계면의 하이드록실 그룹 사이에 수소 결합이 형성되는 것을 관찰합니다. 이 6가지 경우에 해당하는 평균 수소 결합 수는 그림 3d에 나와 있습니다. 수소 결합 수의 증가는 수산기 비율의 증가와 함께 더 높은 전위 장벽 및 마찰로 이어집니다. 이는 수소결합이 마찰에 큰 영향을 미친다는 내용이다[32].

탄소나노튜브의 운동 거동은 계면 사이의 수산기뿐만 아니라 탄소나노튜브의 속도에 의해 영향을 받으며, 특히 계면의 수산기 수가 적어 계면 전위 장벽이 상대적으로 낮을 때 더욱 그러하다. 20, 50, 70m/s의 속도에서 탄소 나노튜브를 사용하여 그림 4a는 z에서 C 원자의 좌표를 보여줍니다. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 5%/5%일 때 방향입니다. 20m/s의 속도에서 탄소 나노튜브의 움직임은 롤링이 지배적입니다. 50m/s의 속도로 탄소 나노튜브는 x 한 라운드 동안 방향과 롤링이 발생하므로 슬라이딩과 롤링이 교대로 발생합니다. 70m/s의 속도로 탄소나노튜브는 주로 기판 위에서 약간의 롤링과 함께 미끄러집니다. 그 이유는 표면 사이에 도입된 수산기가 탄소나노튜브의 움직임을 조절할 수 있기 때문이다. 계면장벽이 상대적으로 낮기 때문에 탄소나노튜브의 운동에너지가 크면 탄소나노튜브가 직접 통과한다. 그러나 운동에너지가 낮으면 탄소나노튜브가 구르면서 계면장벽을 낮추는 경향이 있다. 또한 수산기 비율이 5%/5%일 때 탄소나노튜브의 속도에 따른 평균 마찰력의 곡선을 그림 4b에 나타내었다. 마찰은 속도에 따라 감소하며, 이는 다른 연구자의 실험 작업과 일치합니다[32].

아 z에서 탄소 나노튜브의 C 원자 좌표 탄소 나노튜브가 20, 50, 70m/s의 속도로 움직일 때 시간의 함수로서의 방향. ㄴ 탄소나노튜브의 속도에 따른 평균 마찰력 곡선. ㄷ z에서 탄소나노튜브의 C 원자 좌표 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 5%/10%일 때 방향입니다. 탄소 나노튜브에 가해진 일정한 외력은 x에서 0.000625nN입니다. 방향

x에서 탄소나노튜브에 일정한 외력을 가해도 유사한 결과를 얻을 수 있습니다. 방향. 한편, 외력이 크면 탄소나노튜브는 기판 위에서만 미끄러진다. 반면에 힘이 너무 작으면 탄소나노튜브가 움직일 수 없습니다. 결과적으로 0.000625nN의 일정한 외력 하에서 롤-슬라이드 전이가 발생합니다. 그림 4c는 z에서 탄소나노튜브의 C 원자 좌표를 보여줍니다. 탄소나노튜브와 Si 기판의 수산기 비율이 5%/10%일 때 방향입니다. 결과는 z에서 C 원자의 좌표가 방향은 롤링 모드를 나타내는 첫 번째 단계에서 분명히 증가합니다. 그런 다음 z의 좌표 이후 단계에서는 방향이 많이 바뀌지 않습니다. 즉, 슬라이딩 모드가 모션에서 지배적입니다. 그 이유는 탄소나노튜브의 운동에너지가 초기에 작아 계면장벽을 직접적으로 극복하지 못해 롤링 현상이 발생하기 때문이다. 탄소나노튜브의 운동에너지가 증가함에 따라 그 움직임은 롤에서 슬라이드로 변합니다.

우리는 탄소 나노튜브의 키랄 각도, 직경 및 길이가 모션 거동에 미치는 영향을 추가로 조사합니다. 먼저 SWCNT(11,9), SWCNT(12,8), SWCNT(13,7), SWCNT(14,6) 및 SWCNT(15,0)의 5가지 구성을 사용하여 키랄 각 효과를 조사합니다. 각도는 다양하지만 직경은 거의 같습니다. 결과는 이들의 운동 거동이 SWCNT(10,10)의 운동 거동과 동일하다는 것을 보여주며, 이는 접목된 하이드록실 탄소 나노튜브의 운동 거동에 대한 키랄 각의 영향이 무시될 수 있음을 나타냅니다. 다음으로 직경의 영향을 연구하기 위해 SWCNT(7,7), SWCNT(15,15), SWCNT(20,20) 및 SWCNT(25,25)를 선택합니다. 모델 b의 결과는 SWCNT의 결과와 유사하다(10,10). 그러나 모델 c의 결과는 SWCNT의 결과와 다릅니다(10,10). SWCNT(15,15), SWCNT(20,20), SWCNT(25,25)의 모션 모드가 연속 압연으로 변경될 때 수산기의 비율은 10%/25%, 15%/30%, 각각 20%/30%. 직경이 클수록 모션 모드가 변경될 때 수산기의 비율이 높아집니다. 그 이유는 인터페이스 접촉 면적의 변화에 ​​기인할 수 있습니다. 인터페이스 구조는 SWCNT(15,15), SWCNT(20,20) 및 SWCNT(25,25)가 모두 바닥에 플랫폼이 있음을 보여줍니다(그림 5 참조). 이는 더 높은 마찰과 어려움을 야기합니다. 롤. 하이드록실 그룹의 비율이 높을수록 더 강한 계면 상호 작용을 제공하고 최종적으로 롤링이 발생합니다. SWCNT(7,7)와 SWCNT(10,10)는 모두 바닥에 플랫폼이 없기 때문에 SWCNT(7,7)의 동작거동은 SWCNT(10,10)와 거의 동일하다. 마지막으로 SWCNT(10,10)의 길이를 변경하여 모션에 대한 길이 효과를 탐색합니다. 21.7, 54.3, 81.4nm의 세 가지 길이가 명시적으로 조사되었습니다. 길이가 21.7nm인 SWCNT(10,10)의 모션 동작이 초기 모델 c와 일치함을 발견했습니다. 그러나 길이가 54.3 및 81.4 nm인 경우 길이 대 직경의 큰 종횡비로 인해 압연 과정에서 약간의 굽힘 변형이 나타납니다.

Si 기판 상의 탄소나노튜브 구조. 아 SWCNT(15,15). ㄴ SWCNT(20,20). ㄷ SWCNT (25,25)