표면파를 이동하는 그래핀 층에 대한 입자의 속도 고정 효과

초록

열 변동 및 진동에 의해 유도된 빠른 확산은 나노 스케일에서 감지되었습니다. 본 논문에서는 표면파가 진행하는 그래핀 층에서 입자의 움직임을 분자 역학 시뮬레이션과 이론 모델을 통해 연구하였다. 입자가 특정 전제 조건, 즉 속도 고정 효과를 사용하여 파동 속도로 계속 이동할 것이라는 것이 입증되었습니다. 곡률의 함수로 입자와 물결 모양 표면 사이의 반 데르 발스(vdW) 전위를 표현함으로써 상대 파동 좌표계에서 전위의 웅덩이를 기반으로 메커니즘이 명확해집니다. 두 가지 전제 조건이 제안됩니다. 입자의 초기 위치는 포텐셜 웅덩이에 있어야 하고 초기 운동 에너지는 입자가 포텐셜 웅덩이에서 튀어나오도록 할 수 없습니다. 매개변수 분석은 속도 고정 영역이 입자와 파동 사이의 파장, 진폭 및 쌍 전위의 영향을 받는다는 것을 나타냅니다. 더 작은 파장, 더 큰 진폭 및 더 강한 vdW 전위로, 속도 잠금 영역은 더 커집니다. 이 연구는 나노 스케일에서 빠른 확산 현상에 대한 설명이 될 수 있는 퍼들 포텐셜 이론에 기초한 층상 물질 상의 입자에 대한 새로운 종류의 일관된 움직임을 보여줍니다.

소개

최근에는 마이크로/나노 스케일에서 일련의 표면파/포논 유도 빠른 전송 및 확산 현상이 감지됩니다. 처음에는 탄소나노튜브[1,2,3,4,5] 또는 그래핀 리본[6,7,8,9,10]을 따라 열발한 현상이 광범위하게 조사되었습니다. 열 변동은 탄소 나노튜브(CNT) 표면을 따라 축방향 열 구배를 부과하여 탄소 나노튜브(CNT)를 통한 지속적인 물 흐름을 가능하게 하는 것으로 확인되었습니다[11,12,13]. 비평형 분자 역학 시뮬레이션은 작은 그래핀 나노플레이크의 움직임을 제어하기 위해 큰 그래핀 기판의 열 구배를 활용하는 가능성을 탐색하기 위해 수행됩니다[6]. 또한, 그래핀과 육각형 질화붕소(h-BN) 표면의 열 구동 물방울 수송은 분자 역학 시뮬레이션을 통해 연구됩니다[8, 9]. 이러한 현상은 포논의 특정 모드와 상관관계가 있다고 제안됩니다[14,15,16,17,18,19]. 예를 들어, Schoen et al. 탄소 나노튜브 내부의 고온 운동은 튜브의 호흡 모드에 기인합니다[1, 20]. Panizon et al. [21]은 그래핀의 굴곡 진행파/포논이 그들의 운동량을 흡착질로 전달하여 수송을 유발할 수 있다고 지적했습니다. 고온 현상과 유사하게 Angelos et al. 그래핀의 온도 유도 전파 파문은 액체 물에서 물 분자의 자체 확산보다 2-3배 더 빠른 물 나노 액적의 빠른 확산을 유발할 수 있음을 보여주었습니다[22, 23].

열 변동 외에도 진동이 탄소 나노튜브(CNT) 내부 및 외부로 입자와 액적을 전달할 수 있다는 연구 결과가 확인되었습니다[24,25,26,27]. 예를 들어, 나노액적은 선형으로 편광된 횡방향 음향파가 나노액적에 선형 운동량을 전달할 때 30nm/ns에 가까운 속도로 나노튜브를 따라 수송됩니다[24, 28]. Guo et al. 진동하는 캔틸레버 내부의 물 분자는 원심력에 의해 구동되고 분자 역학 시뮬레이션에 의해 고정된 CNT에서 자유 말단까지 연속적인 흐름을 겪을 수 있음을 입증했습니다[26, 29]. 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)를 통한 물 분자의 새로운 나노스케일 단방향 수송은 비대칭 표면 에너지를 갖는 복합 SWCNT와 진동 전하를 사용하여 설계되었습니다[30]. Zhou et al. [31]은 기계적 진동에 의해 구동되는 단일벽 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 나노 크기의 워터 펌프에서 전류 역전을 조사하고 물의 흐름이 기계적 진동의 주파수에 민감하게 의존함을 확인했습니다. Chang과 Guo[32]는 최대 1km/s의 빠른 속도로 내부 분자를 쏠 수 있는 탄소 나노튜브에서 도미노 파동을 발견했습니다. 가역적인 도미노 과정은 단일벽 탄소 나노튜브에서도 입증되었습니다[33].

열변동 및 진동에 의해 유발되는 다양한 빠른 확산 및 수송 현상이 나노 단위로 감지됨에 따라 표면의 상하 운동이 확산 및 수송을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 파동과 입자의 운동 사이의 연결은 여전히 불분명하고 통일 될 수 없습니다. 주요 설명은 표면의 운동량이 표면 외부의 입자 또는 액적으로 전달될 수 있다는 것입니다[22, 24]. 그러나 이 설명으로는 진폭, 진동수, 입자와 표면의 상호작용의 관계를 파악할 수 없습니다. 또한 Angelos et al. 그래핀 표면에서 흡착물의 빠른 확산을 위해서는 그래핀 곡률의 한 표시에 대한 분명한 선호가 필요하며, 이는 물결 모양의 표면 형태에 의해 유도된 상호작용 전위가 빠른 확산과 밀접하게 관련되어 있음을 나타냅니다. 따라서 물결 모양의 표면과 외부 입자 사이의 상호 작용을 탐구하는 것은 나노 규모에서 빠른 이동 및 확산 메커니즘을 이해하는 데 필수적입니다.

이 논문에서는 Lennard-Jones(L-J) 쌍 전위에 의해 묘사된 vdW 상호 작용을 기반으로 물결 모양의 그래핀 표면 외부의 입자를 연구함으로써 물결 모양의 움직임과 입자의 속도 사이의 일관된 관계를 MD 시뮬레이션으로 입증했습니다. 물결 모양의 표면에 떨어지는 입자의 전체 속도는 특정 전제 조건, 즉 속도 잠금 효과가 있는 진행파와 동일하게 유지되는 것으로 확인됩니다. 그런 다음 곡률의 함수로 표현되는 입자와 파도 표면 사이의 상호 작용 전위를 기반으로 포텐셜 퍼들 이론을 구축합니다[34,35,36]. 이 이론을 통해 속도 고정 효과를 위한 두 가지 전제 조건이 제안되었으며, 잠재적 퍼들 이론에 의해 예측된 궤적 및 속도는 MD 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 또한 파장과 진폭의 영향과 vdW 상호작용 매개변수가 분석되어 그래핀 표면의 액적 서핑 현상에 대해 감지된 조절과 잘 일치함을 보여줍니다[22]. 파동에 의한 속도 고정 효과의 메커니즘은 입자 속도와 물결 모양 표면 사이의 새로운 일관된 관계를 나타냅니다.

방법

MD 시뮬레이션은 소프트웨어 패키지 LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)에서 구현됩니다. 물결 모양의 표면은 원자 번호 밀도가 $\rho =3.85 \times 10^{19} \,{\text{m}}^{ - 2}$인 그래핀 층으로 가정합니다. 그래핀 시트는 처음에 z로 평평합니다. =0 Å이고 x를 따라 길이가 6344Å입니다. 방향에 따라 6000개 원자의 단위 셀 크기가 생성됩니다. y축을 따라 주기 경계 조건은 12.2Å의 주기 길이로 사용됩니다. 여기서 구형 입자는 모델을 단순화하고 기하학적 효과에 초점을 맞추기 위해 질량이 $m =0.83 \times 10^{ - 25} \,{\text{kg}}$인 것으로 간주됩니다. 물결 모양의 표면. 처음에 입자는 z에 위치합니다. =7 Å 및 x =200 Å. 초기 속도는 z에서 − 50m/s입니다. -방향 및 x에서 약 2000m/s -방향. z에서 초기 속도의 시작 시간을 설정하여 -방향, 물결 모양의 표면에 떨어지는 입자에 대한 초기 위치를 제어할 수 있습니다.

반응성 경험적 결합 차수(REBO) 전위는 그래핀 원자를 모델링하기 위해 채택되었습니다[37]. 한편, 레나드-존스 포텐셜은 입자 $P$와 그래핀의 각 탄소 원자 사이의 상호 작용을 다음과 같이 모델링하기 위해 선택됩니다.

$$u\left( R \right) =\varepsilon \left( {{\sigma \mathord{\left/ {\vphantom {\sigma R}} \right.\kern-\nulldelimiterspace} R}} \right) ^{12} - \varepsilon \left( {{\sigma \mathord{\left/ {\vphantom {\sigma R}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} R}} \right)^{6}$$ (1)

여기서 $\varepsilon =5.92 \times 10^{ - 21} \,{\text{J}}$ 및 $\sigma =4 \times 10^{ - 10} \,{\text{m}} $. 입자 $P$와 곡면 사이의 평형 높이는 $h =4.2 \times 10^{ - 10} \,{\text{m}}$로 취하며, 수직력의 조건에 의해 결정됩니다. 0 및 시뮬레이션 결과로, 추가 파일 1:1에 자세히 설명되어 있습니다.

진행파 함수는 다음과 같은 정현파 형태를 취합니다.

$$y =A\sin \left( {\frac{2\pi }{\lambda }x - \omega t} \right)$$ (2)

여기서 진폭은 $A =1 \times 10^{ - 9} \,{\text{m}}$이고 파장은 $\lambda =21.75 \times 10^{ - 9} \, 달리 명시되지 않는 한 {\text{m}}$. 각 주파수는 $\omega ={{2\pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } {10^{ - 12} }}} \right로 취합니다. \kern-\nulldelimiterspace } {10^{ - 12} }}$ 10ps의 기간에 해당합니다. 따라서 파동 속도는 $v_{{{\text{wave}}}} =2175\,{\text{m}}/{\text{s}} =\lambda \omega /2\pi$ . 진행파를 촉발시키기 위해 왼쪽 10Å의 그래핀(즉, y $\in$ [− 10, 0] Å)은 z로 흔들립니다. - 위에서 언급한 진폭과 주파수 방향. 또한, x가 있는 탄소 원자> 6010Å은 그래핀 시트를 안정적으로 유지하기 위해 클램핑됩니다. 특히, 평평한 그래핀 시트가 시뮬레이션되는 경우 클램프되지 않은 그래핀 원자도 z를 따라 초기 위치에 묶여 있습니다. -0.0938eV//Å2의 약한 스프링 상수를 가진 축(A 제외) 0)으로 설정됩니다.

고정되지 않은 탄소 원자에는 5K의 초기 온도가 할당됩니다. 이 온도는 그래핀의 굽힘 모드와 스트레칭 모드 사이의 조화 결합으로 인해 발생하는 열 활성화 리플을 제거하고 기계적 여기에 의해 발생하는 진행파의 영향에 초점을 맞추기 위해 설정되었습니다[22]. 그런 다음 구조는 1fs의 시간 단계로 마이크로 표준 앙상블(NVE)로 발전합니다. 우리는 이 변화를 모니터링했고 전체 시뮬레이션 동안 온도가 거의 변하지 않았음을 발견했습니다.

결과 및 토론

물결 모양의 그래핀 표면과 평평한 그래핀 표면의 입자 궤적은 그림 1에 나와 있습니다. 시간 간격은 물결 모양의 표면 주기로 간주됩니다. 입자의 상대 위치는 파동의 마루 또는 골을 기준으로 변경되지 않는 것으로 나타났습니다. 이는 입자가 파동 속도와 동일한 속도로 물결 모양의 표면에 잠겨 있음을 의미합니다. 비교하자면 평평한 표면에서 입자의 전체 운동은 동일한 초기 위치의 물결 모양 표면에서보다 분명히 느립니다. 평평한 표면에서는 마찰로 인해 입자의 속도가 빠르게 감소하는 반면 물결 모양의 그래핀 표면에서는 마찰이 작동하지 않는 것으로 보입니다. 다른 시뮬레이션 온도 및 파동 함수 매개변수를 사용한 더 많은 MD 시뮬레이션 사례는 추가 파일 1:1에 표시됩니다. 원자 Xe 및 분자 C₆₀의 시뮬레이션 이 현상의 일반화를 확인하기 위해 물결 모양의 평평한 표면 위를 움직이는 것은 추가 파일 1:2에 나와 있습니다.

<그림>

물결 모양의 평평한 그래핀 표면의 입자 궤적

나노 스케일에서 속도 고정 효과의 메커니즘을 이해하기 위해 물결 모양의 표면 S 사이의 상호 작용을 고려하여 모델을 구축했습니다. 및 외부 입자 P , 그림 2a, b에 나와 있습니다. 물결 모양의 표면의 파장과 진폭을 $\lambda$ 및 A라고 가정합니다. , 각각 P 사이의 가장 가까운 높이 그리고 S h입니다 , S의 수 밀도 ${\rho }_{s}$입니다. MD 시뮬레이션에서 입자 P 간의 상호 작용 물결 모양의 표면은 vdW 상호 작용으로 간주되며, 이는 L–J 전위로 표시됩니다.

$$U_{{{\text{L}} {-} {\text{J}}}} =\varepsilon \left[ {\left( {\frac{\sigma }{r}} \right)^{ 12} - \left( {\frac{\sigma }{r}} \right)^{6} } \right]$$

지오메트리 구성 및 잠재적 분포. 아 물결 모양의 표면 S의 3D 모델 및 외부 입자 P 가장 가까운 점 P ₁ 표면에; ㄴ 물결 모양의 표면 S의 2D 모델 및 입자 P; ㄷ 물결 모양의 표면 S의 상호작용 전위 비교 및 외부 입자 P 식에 의해 (1) 및 MD 시뮬레이션; d PXY의 상대 전위 분포 좌표

그러면 P 그리고 S L-J 쌍 전위를 기반으로 하는 평균 곡률과 가우스 곡률의 함수로 작성되는 것으로 입증되었습니다[34,35,36],

$$\begin{정렬} U_{6 - 12} &=\frac{{4\pi \rho_{s} \varepsilon \sigma^{12} }}{{5h^{10} }}\left[ { 1 - hH + h^{2} H^{2} + \frac{{9h^{2} }}{16}\left( {H^{2} - K} \right)} \right] \\ &\quad - \,\frac{{2\pi \rho_{s} \varepsilon \sigma^{6} }}{{h^{4} }}\left[ {1 - hH + h^{2} H^{2} + \frac{{3h^{2} }}{4}\left( {H^{2} - K} \right)} \right] \\ \end{정렬}$$ (3 )

여기서 점 $P_{1}$는 표면 S에서 가장 가까운 점입니다. 입자 P , 및 H 및 $K$는 각각 점 $P_{1}$에서의 평균 곡률 및 가우스 곡률입니다(그림 2a) [20]. 이러한 곡률 기반 포텐셜을 통해 [Eq. (3)]은 마이크로/나노 스케일에서 많은 비정상 현상을 설명하는 데 사용되어 왔으며 [38, 39], Eq. (3) 이 경우 위에 주어진 매개변수에 대한 MD 시뮬레이션의 표면 전위와 비교하여 검증되고 그림 2c에 표시됩니다.

입자 P에 대한 물결 모양 표면의 영향을 분석하기 전에 , 마찰을 조사하고 고려해야 합니다. 입자와 파도 표면 사이의 마찰은 나노 스케일에서 매우 복잡할 수 있습니다[39,40,41,42,43]. 마찰의 원시적 추정은 추가 파일 1:3에 자세히 설명된 대로 MD에 의해 평평한 그래핀 층에서 입자의 움직임을 시뮬레이션하여 이루어집니다. 편의를 위해 여기에서는 물결 모양 대신 평평한 표면이 사용됩니다. 이 근사치는 추가 잠재적 웅덩이 메커니즘과 결합된 추가 파일 1:3에서 추정됩니다. 위에 주어진 매개변수를 사용하여 마찰은 $f =- 5.2 \times 10^{ - 13} \,{\text{N}}$로 추정됩니다.

그런 다음 표면 S 사이의 상대 전위 및 입자 P 마찰을 고려하여 조사됩니다. 먼저 그림 2b에서 빨간색으로 표시된 것처럼 상대파동 좌표계(PXY\)를 생성하여 파동의 속도로 이동하여 진행파에 대해 정지 상태를 유지합니다. 따라서 진행파는 $PXY$에서 "동결"됩니다. 입자는 그래핀을 기준으로 계속 오른쪽으로 움직이기 때문에 입자에 작용하는 마찰은 표면을 따라 계속 왼쪽으로 이동합니다. 결과적으로 상대 파동 프레임 전위는 곡률 기반 전위에서 마찰에 의해 수행된 작업을 뺀 값이 됩니다.

$$P =U_{n} + f * x$$ (4)

곡률 기반 포텐셜 대체 U _n 및 마찰 Eq. (4) 상대 파동 프레임 전위를 평가할 수 있으며 그림 2d와 같습니다.

웨이브 프레임 좌표 PXY 진행파와 함께 이동, 입자 P의 초기 위치 포텐셜은 입자의 궤적을 결정합니다. 입자 P의 초기 속도가 는 $v_{0}$이고 파동 속도는 $v_{{{\text{wave}}}}$인 경우 그림 2d를 기반으로 두 가지 전제 조건을 제안할 수 있습니다. 입자의 초기 위치 $ P$는 레드존 $\lambda_{1}$의 잠재적인 웅덩이에 위치합니다. 초기 파동 프레임 운동 에너지는 $\frac{1}{2}m\left( {v_{0} - v_{{{\text{wave}}}} } \right)^{2} \le를 만족합니다. \델타 U$. 그러면 입자가 웅덩이 밖으로 뛰어내릴 수 없고 대신 웅덩이 안에 갇혀 흔들립니다. 절대 좌표의 관점에서 입자 $P$는 잠재적 웅덩이에서 진동하지만 파동 속도 주위에 고정된 속도로 전파와 함께 계속 이동하므로 속도 고정 효과가 있습니다. 그렇지 않으면 입자 $P$의 초기 위치가 파란색 영역 $\lambda_{2}$ 또는 상대 초기 운동 에너지 $\frac{1}{2}m\left( {v_{ 0} - v_{{{\text{wave}}}} } \right)^{2}> \Delta U$, 입자 $P$는 단일 웅덩이 내부에 머물지 않고 왼쪽으로 홉핑하여 더 낮은 웅덩이를 만듭니다. 파동 프레임 전위 표면을 따라. 절대 좌표의 관점에서 입자는 다른 힘의 평형이 충족될 때까지 전파하는 파동보다 뒤쳐집니다. 그러한 평형의 한 가지 가능성은 입자가 그래핀에서 이동을 멈추고 마찰이 사라진다는 것입니다. 흥미롭게도 조명 [21]. Panizon et al. 속도 차이가 있을 때 진행파가 입자에 의해 산란되고 추진력을 제공하여 입자의 최종 속도가 0보다 클 것임을 시사합니다.

우리의 이론을 공식화하고 더 잘 설명하기 위해 입자 P의 운동 방정식은 뉴턴의 운동 법칙에 의해 추가로 설정됩니다. 입자 P에 가해지는 추진력 두 부분, 수직력 $F_{{\text{n}}}$ 및 접선 힘 $F_{{\text{t}}}$, 즉 (그림 2b),

$$F_{{\text{n}}} =\frac{{\partial U_{6 - 12} }}{\partial h}; \, F_{{\text{t}}} =\frac{{\partial U_{6 - 12} }}{\partial H}\nabla H + \frac{{\partial U_{6 - 12} }} {\partial K}\nabla K$$ (5)

L-J 전위의 경우 원자 사이에 인력 및 반발 상호 작용이 모두 존재하며 외부 입자 $P$는 높이 h에 유지됩니다. 여기서 수직력 $F_{{\text{n}}}$이 0인 경우 높이 h의 결정 계산 추가 파일 1:2에 추가됩니다. 그러면 $x$ 방향으로의 입자 $P$의 운동 방정식은,

$$m\ddot{x} =F_{x} - f$$ (6)

여기서 $F_{x}$는 $x$ 방향의 접선력 $F_{{\text{t}}}$의 성분입니다(그림 2b). 계산 식 (6) 입자 궤적을 제공합니다. 사인파 표면의 경우 가우스 곡률은 0이고 평균 곡률은 $Ozx$ 표면의 곡선 곡률과 동일합니다. 즉 $K =0$ 및 $H =\kappa$ [52], 다음을 대체합니다. 식 (5) (6)으로, 입자 P의 이동 궤적 수치적으로 풀 수 있습니다.

잠금 및 잠금 해제 예는 그림 3에 나와 있습니다. 그림 2d의 잠금 영역 $\lambda_{1}$에 해당하는 초기 위치(그림 3a)에 대해 이론적인 궤적과 MD 시뮬레이션 결과의 궤적을 비교합니다. 그림 3b에서. 평평한 그래핀 표면에서 입자는 마찰로 인해 매우 짧은 시간에 이동을 멈추고 입자는 파면에서 오른쪽으로 계속 이동함을 보여줍니다. 그리고 이론적 궤적은 MD 시뮬레이션 결과에 가깝습니다. 이러한 경향은 시뮬레이션 시간의 10배에서 나타난 입자의 속도에 대해 Fig. 3c에서 더 확인된다. 입자가 잠금 영역에 떨어지고 초기 속도가 파도 속도와 같기 때문에 잠재적 웅덩이에서 진동하고 전체 속도는 우리의 추측에 따른 파도 속도와 같습니다. 초기 위치(그림 3d)가 그림 2d의 잠금 해제 영역 $\lambda_{2}$에 있는 입자의 경우 파도 표면에서 입자의 궤적은 일정한 경향이 있으며(그림 3e) 속도 분포. 진행파는 평평한 그래핀 표면에서 입자의 움직임에 비해 속도 잠금 해제 영역에 떨어지는 경우에도 입자의 움직임을 향상시킬 수 있다는 것이 흥미롭습니다. 그림 3f는 시뮬레이션 시간보다 긴 시간 동안 속도가 0으로 감소함을 보여줍니다. 추가 파일 1:3에 더 많은 예가 나와 있습니다.

<그림>

잠금 및 잠금 해제의 예. 아 초기 입자 속도가 $v_{0} =2175\,{{\text{m}인 물결 모양 그래핀 표면의 속도 고정 영역 \(\lambda_{1}$)에 입자가 어떻게 착지하는지 보여주는 개략도 } \mathord{\left/ {\vphantom {{\text{m}} {\text{s}}}} \right.\kern-\nulldelimiterspace} {\text{s}}}\); ㄴ 입자가 물결 모양의 그래핀 표면의 속도 잠금 해제 영역 $\lambda_{2}$에 어떻게 착지하는지 보여주는 개략도; ㄷ MD 시뮬레이션 및 이론에 의한 입자의 궤적, 평면 그래핀 상의 입자의 궤적도 비교를 위해 플롯됩니다. d Eq.에 의한 입자 속도의 시간 진화 (6); 이 MD 시뮬레이션과 이론에 의한 입자의 궤적; 에 Eq.에 의한 입자 속도의 시간 진화 (6)

포텐셜 퍼들 메커니즘에 따르면 입자의 속도 고정 효과는 포텐셜 파면에 의해 지배됩니다. 매개변수의 영향은 잠재적인 퍼들 이론을 기반으로 논의할 수 있습니다. 분명히 여기에는 파장 $\lambda$, 진폭 A가 포함됩니다. , 주파수 $\omega$ 및 L–J 전위 매개변수. 마찰은 다음 분석에서 다른 매개변수와 관련하여 동일하게 유지되는 것으로 가정됩니다. 다른 파장에 대한 전위 분포 A , 진폭 $\lambda$ 및 L–J 전위 매개변수 $\varepsilon$는 각각 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4a는 잠재적인 퍼들 깊이가 $\λ$의 증가에 따라 감소하고 파장이 임계값을 초과할 때 속도 잠금 범위가 없음을 보여줍니다. 또한 낮은 주파수 $\omega$는 더 큰 $\lambda$와 관련이 있으므로 속도 잠금 범위는 $\omega$가 증가함에 따라 감소합니다. 그림 4b는 A가 증가함에 따라 잠재적인 웅덩이 깊이가 증가함을 보여줍니다. , 진폭이 너무 작으면 속도 잠금 효과가 사라집니다. 비율 A는 /$\lambda$는 손상을 방지하기 위해 너무 커서는 안됩니다. 일반적으로 $\lambda$ 및 A 파동이나 입자의 규모가 증가하면 증가합니다. 규모 효과를 연구하기 위해 $\lambda$/A 비율을 유지합니다. 고정 및 다양한 $\lambda$ 또는 A의 영향 조사 . 그림 4c는 $\lambda$ 또는 A가 증가함에 따라 잠재적인 웅덩이 깊이가 급격히 감소하는 것을 보여줍니다. . 이는 곡률 기반 구동력이 스케일이 증가함에 따라 빠르게 감소하므로 입자에 대한 속도 고정 효과가 대규모 웨이브와 함께 표면에서 사라짐을 나타냅니다. L–J 전위 매개변수 $\varepsilon$의 경우, 쌍 상호작용 전위가 강할 때 속도 잠금 영역이 더 넓어지고 쌍 상호작용 전위가 약할 때 속도 잠금 효과가 사라지는 것을 확인했습니다(그림 1b). 4d).

<그림>

잠재적 퍼블에 대한 매개변수의 영향:a 파장의 영향; ㄴ 파동 진폭의 영향; ㄷ 파장과 진폭의 비율의 영향; d L-J 전위 매개변수의 효과

강성과 L-J 전위 매개변수는 다른 2D 나노물질과 다르므로 주파수와 파동 속도가 다릅니다[44]. 매개변수 분석에 따르면 물결 모양의 표면에 적절한 파장과 진폭을 선택하면 잠재적인 웅덩이가 나타납니다. 잠재적인 웅덩이는 물결 모양의 표면으로 움직이는 입자의 전제 조건이기 때문에 이 속도 고정 효과는 단거리 상호 작용에서 많은 2D 나노 물질 레이어에도 설정됩니다.

이 논문에서는 하나의 입자의 움직임에 대해 논의하지만 여전히 열 환경의 틀 안에 있습니다. 포텐셜 웅덩이는 입자와 표면 사이의 결합 운동에 필수적인 조건입니다. 다중 입자의 경우 모두 잠재적인 웅덩이 영역에 있고 전제 조건을 충족하면 갇히고 물결 모양의 표면과 함께 이동합니다. 매개변수 효과에 따라 파장과 진폭을 조정하여 입자의 움직임을 제어할 수 있습니다. 더 작은 파장, 더 큰 진폭 및 더 높은 주파수를 갖는 표면파에 대해 속도 잠금 영역이 더 커질수록 물결 표면의 빠른 확산도 향상됩니다. 매개변수 분석은 또한 다른 많은 문헌에서 감지된 빠른 확산 조절을 따릅니다. 예를 들어, Angelos et al. 확산 계수는 그래핀 표면의 리플 진폭에 따라 증가한다고 지적했다[22]. 그들은 잔물결의 진폭이 증가하여 계곡에 대한 물방울의 선호도가 높아짐을 확인했으며, 이는 그림 4b에서 설명할 수 있습니다. 진폭이 충분히 증가하면 속도 고정 영역이 전체 파장을 덮고 확산을 향상시킬 것입니다. 또한 계곡의 포텐셜은 마루의 포텐셜보다 항상 작다고 지적하고[22](그림 4), 이는 그림 4와 같은 마루 영역의 낮은 포텐셜에 대응하는 것이다. Cao et al. 이동 표면파가 있는 상태에서 나노채널 내부의 유체 흐름을 연구하고 진폭과 주파수가 증가함에 따라 속도가 증가함을 확인했습니다[45], 이는 역시 매개변수 분석에 따른 것입니다.

MD 시뮬레이션은 매우 짧은 시간에 속성을 반영할 수 있으며 이 속도 잠금 효과의 더 많은 잠재적인 적용은 잠재적인 퍼들 메커니즘에서 추론할 수 있습니다. 예를 들어 진폭과 주파수를 조정하여 입자를 움직이거나 멈추게 할 수 있는 거의 잠금 또는 잠금 해제 영역을 실현할 수 있습니다. 수직 방향의 표면의 물결 모양의 움직임은 일종의 래칫 운동과 유사하며 나노 전자 기계 시스템에서 사용될 수 있는 횡 방향의 입자의 움직임으로 변환될 수 있음에 유의하십시오. 또한, 입자와 표면 사이의 상호 작용이 움직임에 영향을 미치므로 서로 다른 쌍 전위를 가진 입자에 대해 물결 모양의 표면에 의해 강화된 궤적이 다르므로 구문 분리로 이어질 수 있습니다.

결론

결론적으로, 우리는 진행 표면파, 즉 속도 잠금 현상과 함께 입자와 그래 핀 층 사이의 독특한 관계를 보여줍니다. MD 시뮬레이션을 통해 특정 조건에서 입자의 속도가 파동 속도 부근에서 유지될 수 있음을 확인했습니다. 잠재적 표면의 웅덩이가 잠금 효과를 지배하는 메커니즘을 설명하기 위해 이론적 모델이 구축되었습니다. 잠금 조건은 이 모델을 기반으로 제안됩니다. 즉, 입자의 초기 위치는 포텐셜 웅덩이에 있고 초기 운동 에너지는 입자가 포텐셜 웅덩이 밖으로 뛰도록 할 수 없습니다. 이론적 예측에 의해 예측된 입자 궤적은 MD 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 파장과 진폭의 영향과 L–J 전위 매개변수에 대해 설명합니다. 이 작업은 또한 물결 모양의 표면에서 빠른 확산과 이동을 이해하기 위한 새로운 관점과 구 분리의 잠재적인 응용 프로그램을 제공합니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게시된 기사[및 추가 파일]에 포함되어 있습니다.

약어

복합 복합지구:: 분자 역학
vdW:: 반 데르 발스
CNT:: 탄소나노튜브
h-BN:: 육각형 질화붕소
SWCNT:: 단일벽 탄소나노튜브
L–J:: 레나드-존스
램프:: 대규모 원자/분자 대량 병렬 시뮬레이터
REBO:: 반응성 경험적 채권 주문
NVE:: 마이크로 표준 앙상블

2차원 나노다공성 막을 통한 단일 파일 물 플럭스 향상된 성능을 갖춘 새로운 도핑 없는 핀 모양의 SiGe 채널 TFET

나노물질