Abstimmung des Gleit-Roll-Bewegungsmodus von Kohlenstoffnanoröhren über Hydroxylgruppen

Hintergrund

Die Kontrolle des Bewegungsverhaltens von nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) und Nanorobotern ist aufgrund von Oberflächen- und Grenzflächeneffekten ein komplexes und herausforderndes Thema. Die Stimulation von natürlichen, synthetischen, physikalischen und anderen Energiequellen kann die mechanische Bewegung von Nano- und Mikromotoren steuern [1]. So ist es beispielsweise möglich, unpolare Nanoautos unidirektional [2] und vierrädrige Moleküle mit Hilfe eines externen elektrischen Feldes direkt anzutreiben [3] und molekulare Nanoautos thermisch direktional anzutreiben [4].

Kohlenstoffnanoröhren spielen aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften eine wichtige Rolle in NEMS. Auf Kohlenstoffnanoröhren basierende Nanovorrichtungen wie Nanozahnräder [5], Nanomotoren [6, 7], Nanolager [8, 9] und nanoskalige elektromechanische Aktoren [10] wurden entwickelt. Die Abstimmung der Bewegung dieser Nanogeräte ist jedoch noch eine offene Frage. Forschungsdokumente berichteten, dass ein thermischer Gradient verwendet wurde, um die koaxialen Nanoröhren zu aktivieren [11]. In der Zwischenzeit untersuchten die Forscher die Faktoren, die das Bewegungsverhalten von Kohlenstoffnanoröhren beeinflussen könnten, einschließlich des entsprechenden oder inkommensuren Zustands zwischen den Grenzflächen [12], der Verformung der Kohlenstoffnanoröhren [13,14,15] und der eingeführten Gruppen wie Wasserstoffatome bei die Enden eines Motors [16]. Unter diesen Faktoren ist die Einführung funktioneller Gruppen in Kohlenstoffnanoröhren relativ einfach zu erreichen. Forscher haben die Bewegungs- und Reibungseigenschaften von oberflächenfluorierten Kohlenstoffnanoröhren [17], Graphenoxidschichten mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen [18] und hydriertem Graphen [19, 20] untersucht. Der Einfluss eingeführter Hydroxylgruppen auf das Bewegungsverhalten von Kohlenstoffnanoröhren wurde jedoch bisher nicht beschrieben. Dieses Papier zeigt, dass die Einführung von Hydroxylgruppen das Roll- oder Gleitverhalten von Kohlenstoffnanoröhren einstellen kann. Unsere Studie könnte Aufschluss über die richtungsgesteuerte Bewegung von hochentwickelten molekularmechanischen Systemen geben, die auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basieren, wie beispielsweise Zahnstangen-Nanogetriebe. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse auch für andere zylindrische Nanomaterialien, wie Nanorollen mit großem Potenzial [21] eine Möglichkeit zur Kontrolle ihrer Bewegung.

Methoden

Die Simulationsmodelle bestehen aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (10,10) (SWCNTs) und Si-Substrat. Es werden drei verschiedene Strukturen betrachtet, wie in Abb. 1 gezeigt. Modell a ist ein ideales Simulationsmodell (Abb. 1a), das horizontal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren und ein Si-Substrat umfasst. Modell b besteht aus Kohlenstoffnanoröhren und einem mit Hydroxylgruppen bedeckten Si-Substrat (Abb. 1b). Modell c besteht ebenfalls aus Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat, aber beide Teile sind an den Oberflächen mit Hydroxylgruppen bedeckt (Abb. 1c). Der Gehalt an Hydroxylgruppen auf dem Si-Substrat bezieht sich auf das Verhältnis der Anzahl der Hydroxylgruppen zur Anzahl der Si-Atome auf der Oberfläche des Si-Substrats. Die Dimension des Si (0 01)-Substrats beträgt 8,01 nm im x . Richtung und 7,98 nm in y Richtung. Das Si-Substrat besteht aus 5400 Si-Atomen.

Simulationsmodelle. a Ideal. b Si-Substrat bedeckt mit Hydroxylgruppen. c Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Si-Substrat sind beide mit Hydroxylgruppen bedeckt

Das AIREBO-Potential [22] und das TERSOFF-Potential [23] werden verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen C-Atomen innerhalb der Kohlenstoffnanoröhre bzw. zwischen Si-Atomen innerhalb des Substrats zu beschreiben. Da die O-Atome im AIREBO-Potential nicht berücksichtigt werden, wird ein OPLS-Kraftfeld verwendet, um Si-OH in Si-Substrat und C-OH auf Kohlenstoffnanoröhrchen zu beschreiben [24,25,26,27]. Die Wasserstoffbrückenbindung zwischen Grenzflächen in Modell c wird durch das DREIDING-Kraftfeld berechnet [28]. Die Van-der-Waals-Kraft zwischen der Kohlenstoffnanoröhre und dem Si-Substrat wird durch das klassische 12-6 Lennard-Jones (L-J)-Potential beschrieben [29]. Die Parameter für C, H und O sind in der Literatur [25] und die Parameter für Si in der Literatur [28] zu finden. Die Bewegung der hier vorgestellten Kohlenstoffnanoröhre wird mit dem Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) simuliert [30]. Alle Simulationen werden im kanonischen Ensemble (NVT) durchgeführt. Die Systemtemperatur beträgt 300 K. Ein Vergleich der Ergebnisse mit dem Nosé-Hoover-Thermostat und dem Langevin-Thermostat in Modell a zeigt, dass der Langevin-Thermostat die Bewegung der Kohlenstoffnanoröhrchen nahezu beeinflusst und das System leichter macht, das Gleichgewicht zu erreichen. Daher wird der Langevin-Thermostat in Simulationen verwendet. Der Dämpfungskoeffizient des Langevin-Thermostats, t _r , das sich auf den Beitrag zufälliger Kräfte in der Langevin-Gleichung bezog, wird für alle Fälle auf 0,1 ps gesetzt [31]. Die Atome der unteren Schicht des Si-Substrats werden fixiert, um einen Si-Wafer zu simulieren. Die periodischen Randbedingungen gelten entlang des x und y Richtungen. Um die gleiche periodische Grenze für Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Si-Substrat im y . zu führen Richtung wird das Si-Substrat um 1,90 % entlang der y . komprimiert Richtung, die klein ist; daher kann der Einfluss auf die Bewegung von Kohlenstoffnanoröhren vernachlässigt werden. Die numerische Integration der Dynamikgleichungen erfolgt durch den Velocity-Verlet-Algorithmus mit einem Zeitschritt von 0,001 ps. Der Simulationsprozess ist wie folgt. Zunächst wird der Aufbau des Simulationssystems durch Energieminimierung optimiert. Dann wird die Relaxation für 100 ps durchgeführt, um sicherzustellen, dass das System ein Gleichgewicht erreicht. Schließlich eine konstante Geschwindigkeit oder eine konstante Kraft auf die Kohlenstoffnanoröhre entlang der x Richtung ist so eingestellt, dass sie sich auf dem Si-Substrat bewegt. Die konstante Geschwindigkeit entlang der x Richtung wird durchgeführt, indem die seitliche Kraft des Zentrums der Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf Null gesetzt wird.

Ergebnisse und Diskussion

Wir haben zunächst eine konstante Translationsgeschwindigkeit von 10 m/s für Kohlenstoffnanoröhren im x . festgelegt Richtung. In beiden Modellen a und b gleitet die Kohlenstoffnanoröhre auf dem Substrat. Das Walzen tritt jedoch in Modell c auf, wo die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und das Si-Substrat beide mit Hydroxylgruppen bedeckt sind. Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen von Kohlenstoffnanoröhre und Si-Substrat beide 10 % beträgt, rollt die Kohlenstoffnanoröhre auf dem Si-Substrat, begleitet von einem leichten Gleiten (Zusatzdatei 1:Film S1). Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf der Kohlenstoffnanoröhre und dem Si-Substrat 10 bzw. 20 % beträgt, rollt die Kohlenstoffnanoröhre während der Simulationszeit weiter auf dem Si-Substrat (zusätzliche Datei 2:Film S2). Abbildung 2a zeigt die dreidimensionale Bewegungsbahn eines C-Atoms auf einer Kohlenstoffnanoröhre, wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf der Kohlenstoffnanoröhre und dem Si-Substrat 10 bzw. 20 % beträgt. Die Bewegung des C-Atoms repräsentiert die Bewegung der Kohlenstoffnanoröhre, da die Kohlenstoffnanoröhre ihre Form offensichtlich nicht ändert. Koordinate der Kohlenstoffnanoröhre im z Richtung bewegt sich offensichtlich auf und ab, und das Maximum von z Die Verschiebung beträgt etwa 1,3 nm, was dem Durchmesser von SWCNT (10,10) von 1,38 nm entspricht. Das Ergebnis zeigt die Rollbewegung an. Die Kohlenstoffnanoröhre bewegt sich im x . um etwa 10,8 nm Richtung. Da die konstante Geschwindigkeit 10 m/s im x Richtung auf die Kohlenstoffnanoröhre angewendet, wodurch sich die Kohlenstoffnanoröhre um 9,5 nm in der x bewegt Richtung während des 950-ps-Bewegungsprozesses. Daher ist die zusätzliche Bewegungsstrecke im x Richtung ist 1,3 nm. Der Wert entspricht dem Maximum der z-Verschiebung, was anzeigt, dass das Rollen bei der Bewegung dominant ist. Außerdem das leichte Rutschen im y Richtung kommt auch vor. Der Grund dafür ist die Ungleichgewichtskraft entlang der axialen Richtung der Kohlenstoffnanoröhre aufgrund der zufälligen Verteilung der Hydroxylgruppen, die die Kohlenstoffnanoröhre entlang des y . gleiten lässt Richtung. Ähnliche Phänomene finden sich in einer anderen Forschungsarbeit [31]. Wenn sich das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf der Kohlenstoffnanoröhre und dem Si-Substrat auf 5 % und 5 % und 5 % und 10 % ändert, ändert sich die Bewegung der Kohlenstoffnanoröhre. Abbildung 2b zeigt die Position eines C-Atoms in der z Richtung, wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 % bzw. 10 %/20 % beträgt. In den Fällen, in denen das Verhältnis der Hydroxylgruppen 5 %/5 % und 5 %/10 % beträgt, ist das Gleiten die Hauptbewegung, begleitet von einem leichten Rollen. Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen 5 / 5 % beträgt, gleitet die Kohlenstoffnanoröhre um etwa 500 ps, begleitet von einem leichten Rollen und rollt dann um etwa 500 ps. Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen 5 %/10 % beträgt, gleitet die Kohlenstoffnanoröhre bei leichtem Rollen um etwa 500 ps und gleitet dann weiter.

a Die dreidimensionale Bewegungsbahn eines C-Atoms auf einer Kohlenstoffnanoröhre. Das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat beträgt 10 bzw. 20 %. b Die Koordinate eines C-Atoms auf einer Kohlenstoffnanoröhre im z Richtung als Funktion der Zeit. Das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Si-Substrat beträgt 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 %/10 % bzw. 10 %/20 %

Zusätzliche Datei 1:Filme S1 . (AVI 4439 kb)

Zusätzliche Datei 2:Filme S2 . (AVI 4929 kb)

Um den Mechanismus der Änderung des Bewegungsmodus aufgrund von Hydroxylgruppen aufzuklären, untersuchen wir die potentielle Grenzflächenenergie unter verschiedenen Bedingungen, da das Bewegungsverhalten von SWCNTs durch die Grenzflächenpotentialbarriere beeinflusst wird [15]. Die potentiellen Grenzflächenenergien zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat in den Modellen a und c sind in Abb. 3a, b dargestellt, die erhalten werden, indem man die Kohlenstoffnanoröhrchen für 20,0 und 20,0 nm entlang der x und y Richtungen bzw. nach Entspannung. In Modell c wird der Fall mit dem Verhältnis der Hydroxylgruppen von Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 10/20% gewählt, da das Kohlenstoffnanoröhrchen unter dieser Bedingung weiter rollt. Im idealen Modell a ist die Verteilung der potentiellen Energie zwischen den Grenzflächen aufgrund des inkommensuralen Zustands zwischen Kohlenstoffnanoröhre und Si-Substrat gleichmäßig. Dadurch gleitet die Kohlenstoffnanoröhre auf dem Substrat. In Modell c führt die Wechselwirkung von Hydroxylgruppen zwischen Grenzflächen jedoch zu einer enormen Änderung der potentiellen Grenzflächenenergie. Die Spitze der lokalen Potentialbarriere erreicht sogar die Größenordnung von 10 ⁷ eV. Die zufällige Verteilung der Hydroxylgruppen bewirkt die gleichmäßige Verteilung der Hochpotentialbarriere. Daher kann die Kohlenstoffnanoröhre die Potentialbarriere nicht direkt durchqueren, was zu einem Rollen führt, um die Grenzflächenpotentialbarriere zu verringern. Da die Potenzialbarriere aufgrund der zufälligen Verteilung der Hydroxylgruppen die gesamte Oberfläche bedeckt, rollt die Kohlenstoffnanoröhre weiter entlang der x Richtung. In den Fällen, in denen das Verhältnis der Hydroxylgruppen von Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 5 %/5 %, 5 %/10 % und 10 %/10 % beträgt, ist ihre potentielle Barriere relativ niedriger als in dem Fall, in dem die Hydroxylgruppen '-Verhältnis beträgt 10/20 %. Der Grund dafür ist, dass weniger Hydroxylgruppen an der Grenzfläche zu einer schwächeren Wechselwirkung führen. Wenn die kinetische Energie der Kohlenstoff-Nanoröhrchen höher als die Barriere ist, gleitet sie. Andernfalls beginnt die Kohlenstoffnanoröhre zu rollen.

a , b Die potentielle Grenzflächenenergie zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat. a Ideales Modell. b Das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat beträgt 10%/20%. c Die durchschnittliche Reibung auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den sechs Fällen. Der Einschub zeigt die Reibung von Kohlenstoffnanoröhren mit der Zeit in drei Fällen in den Modellen a, b und c. Das Verhältnis der Hydroxylgruppen von Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat in den Modellen b und c beträgt 0/10 % bzw. 10 %/10 %. d Die durchschnittlichen Wasserstoffbrückenbindungszahlen in den sechs Fällen in c

Die Einführung von Hydroxylgruppen zwischen Grenzflächen beeinflusst nicht nur die Bewegung von Kohlenstoffnanoröhren, sondern auch die Reibung zwischen den Grenzflächen. Abbildung 3c zeigt die durchschnittliche Reibung an Kohlenstoffnanoröhrchen in sechs Fällen, wobei das Verhältnis der Hydroxylgruppen zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 0/0, 0/10 %, 5 %/5 %, 5 %/10 %, 10 % beträgt. /10 % bzw. 10 %/20 %. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Reibung mit dem Verhältnis der Hydroxylgruppen signifikant zunimmt. In den Modellen a und b ist die durchschnittliche Reibungskraft nahezu null. Da die Oberflächenrauheit durch die Einführung von Hydroxylgruppen zunimmt, ist die durchschnittliche Reibung im Modell b größer als im idealen Modell a. Der Einschub in Abb. 3c zeigt, dass die Schwankung der Seitenkraft in Modell b größer ist als in Modell a. Da in Modell c sowohl die Kohlenstoffnanoröhre als auch das Si-Substrat gepfropfte Hydroxylgruppen sind, sind die Fluktuation der Querkraft und die mittlere Reibung deutlich größer als in den Modellen a und b. Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen 10 %/20 % beträgt, erhöht sich die mittlere Reibung auf etwa 2,19 nN.

Um tiefere Einblicke in den Mechanismus des Reibungs- und Bewegungsverhaltens zu erhalten, haben wir die chemischen Bindungen während der Bewegung untersucht. Wir beobachten, dass sich zwischen Hydroxylgruppen an Grenzflächen Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Die entsprechenden durchschnittlichen Wasserstoffbrückenbindungszahlen in diesen sechs Fällen sind in Abb. 3d dargestellt. Die Zunahme der Zahl der Wasserstoffbrücken führt zu einer höheren Potentialbarriere und Reibung mit der Zunahme des Verhältnisses der Hydroxylgruppen. Damit hatte die Wasserstoffbrücke einen großen Einfluss auf die Reibung [32].

Das Bewegungsverhalten von Kohlenstoffnanoröhren wird nicht nur durch die Hydroxylgruppen zwischen den Grenzflächen beeinflusst, sondern auch durch die Geschwindigkeit der Kohlenstoffnanoröhren, insbesondere wenn eine Grenzflächenpotentialbarriere aufgrund der geringen Anzahl von Grenzflächenhydroxylgruppen relativ niedrig ist. Mit der Kohlenstoffnanoröhre bei Geschwindigkeiten von 20, 50, 70 m/s zeigt Abb. 4a die Koordinate eines C-Atoms im z Richtung, wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen von Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 5%/5% beträgt. Bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s dominiert das Rollen in der Bewegung der Kohlenstoffnanoröhren. Bei einer Geschwindigkeit von 50 m/s bewegt sich die Kohlenstoffnanoröhre 50 nm in der x Richtung und rollt für eine Runde, d.h. Gleiten und Rollen erfolgen abwechselnd. Bei einer Geschwindigkeit von 70 m/s gleitet die Kohlenstoffnanoröhre hauptsächlich auf dem Substrat, begleitet von einem leichten Rollen. Der Grund ist ähnlich dem, dass die eingeführten Hydroxylgruppen zwischen Oberflächen die Bewegung von Kohlenstoffnanoröhren abstimmen können. Da die Grenzflächenbarriere relativ niedrig ist, geht die Kohlenstoffnanoröhre direkt durch sie hindurch, wenn die kinetische Energie der Kohlenstoffnanoröhre groß ist. Wenn die kinetische Energie jedoch gering ist, neigt die Kohlenstoffnanoröhre dazu, zu rollen, um die Grenzflächenbarriere zu senken. Darüber hinaus ist die Kurve der mittleren Reibungskraft mit der Geschwindigkeit der Kohlenstoffnanoröhrchen bei einem Verhältnis der Hydroxylgruppen von 5 %/5% in Abb. 4b gezeigt. Die Reibung nimmt mit der Geschwindigkeit ab, was mit der experimentellen Arbeit anderer Forscher übereinstimmt [32].

a Die Koordinate eines C-Atoms auf einer Kohlenstoffnanoröhre im z Richtung als Funktion der Zeit, wenn sich die Kohlenstoffnanoröhre mit Geschwindigkeiten von 20, 50 und 70 m/s bewegt. b Die Kurve der mittleren Reibungskräfte mit den Geschwindigkeiten von Kohlenstoffnanoröhren. c Die Koordinate eines C-Atoms auf der Kohlenstoffnanoröhre im z Richtung, wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 5%/10% beträgt. Die auf die Kohlenstoffnanoröhre ausgeübte konstante externe Kraft beträgt 0,000625 nN im x . Richtung

Ein ähnliches Ergebnis kann erzielt werden, indem eine konstante äußere Kraft auf die Kohlenstoffnanoröhre im x . ausgeübt wird Richtung. Einerseits gleitet die Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei großer externer Kraft nur auf dem Substrat. Andererseits kann sich die Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht bewegen, wenn die Kraft zu klein ist. Als Ergebnis findet ein Roll-Gleit-Übergang unter einer konstanten äußeren Kraft von 0,000625 nN statt. Abbildung 4c zeigt die Koordinate eines C-Atoms auf einer Kohlenstoffnanoröhre im z . Richtung, wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen von Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat 5%/10% beträgt. Das Ergebnis zeigt, dass die Koordinate des C-Atoms im z Richtung nimmt in der ersten Stufe deutlich zu, was auf einen Rollmodus hindeutet. Dann die Koordinate im z Richtung ändert sich im späteren Stadium nicht viel, was bedeutet, dass der Gleitmodus in der Bewegung dominiert. Der Grund dafür ist, dass die kinetische Energie der Kohlenstoffnanoröhrchen am Anfang klein ist, die die Grenzflächenbarriere nicht direkt überwinden kann, was zum Rollen führt. Mit zunehmender kinetischer Energie der Kohlenstoff-Nanoröhrchen verändert sich ihr Bewegungsverhalten von Rollen zu Gleiten.

Wir untersuchen weiterhin den Einfluss von Chiralitätswinkel, Durchmesser und Länge von Kohlenstoffnanoröhren auf ihr Bewegungsverhalten. Zuerst untersuchen wir den Chiralitätswinkeleffekt unter Verwendung von fünf Konfigurationen, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6) und SWCNT (15,0), die unterschiedlichen Winkeln, haben aber fast die gleichen Durchmesser. Die Ergebnisse zeigen, dass ihr Bewegungsverhalten dem von SWCNT (10,10) entspricht, was darauf hindeutet, dass der Einfluss des Chiralitätswinkels auf das Bewegungsverhalten von gepfropften Hydroxyl-Kohlenstoff-Nanoröhren vernachlässigt werden kann. Als nächstes wählen wir SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) und SWCNT (25,25) aus, um den Einfluss des Durchmessers zu untersuchen. Die Ergebnisse der Modelle a und b ähneln denen von SWCNT (10,10). In Modell c unterscheiden sich die Ergebnisse jedoch von denen von SWCNT (10,10). Wenn sich der Bewegungsmodus von SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) und SWCNT (25,25) auf kontinuierliches Walzen ändert, beträgt das Verhältnis der Hydroxylgruppen 10 %/25 %, 15 %/30 % und 20 % bzw. 30 %. Je größer der Durchmesser, desto höher das Verhältnis der Hydroxylgruppen, wenn sich der Bewegungsmodus ändert. Der Grund ist auf die Änderung der Kontaktfläche der Schnittstelle zurückzuführen. Die Schnittstellenstrukturen zeigen, dass SWCNT (15,15), SWCNT (20,20) und SWCNT (25,25) alle eine Plattform auf der Unterseite haben, wie in Abb. 5 gezeigt, was die höhere Reibung und die Schwierigkeit verursacht, rollen. Ein höherer Anteil an Hydroxylgruppen bietet eine stärkere Grenzflächenwechselwirkung und führt schließlich zum Auftreten von Walzen. SWCNT (7,7) und SWCNT (10,10) haben beide keine Plattform auf der Unterseite, und dann ist das Bewegungsverhalten von SWCNT (7,7) fast das gleiche wie das von SWCNT (10,10). Schließlich untersuchen wir den Längeneffekt auf die Bewegung, indem wir die Länge von SWCNT (10,10) ändern. Drei Längen, 21,7, 54,3 und 81,4 nm, werden explizit untersucht. Wir finden, dass das Bewegungsverhalten von SWCNT (10,10) mit der Länge von 21.7 nm mit dem Ausgangsmodell c übereinstimmt. In Fällen mit Längen von 54,3 und 81,4 nm weisen sie jedoch aufgrund des großen Längen-Durchmesser-Verhältnisses eine leichte Biegeverformung während des Walzprozesses auf.

Die Struktur von Kohlenstoffnanoröhren auf Si-Substrat. a SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25)

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend zeigen wir, dass die Einführung von Hydroxylgruppen zwischen den Grenzflächen zur Bildung von Wasserstoffbrücken führt, was die Grenzflächenbarriere und Reibung erhöht. Der Bewegungsmodus (Rutschen oder Rollen) von Kohlenstoffnanoröhren auf einem Si-Substrat kann durch das Verhältnis der eingeführten Hydroxylgruppen an den Grenzflächen und die Geschwindigkeit der Kohlenstoffnanoröhren eingestellt werden. Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat klein ist (< 10%/20%), hängt die Bewegung der Kohlenstoffnanoröhrchen von der Grenzflächenpotentialbarriere und der kinetischen Energie ab. Wenn die kinetische Energie der Kohlenstoffnanoröhre hoch ist, gleitet die Kohlenstoffnanoröhre auf dem Substrat. Andernfalls neigt die Kohlenstoffnanoröhre dazu, zu rollen, um die Barriere zu senken. Wenn das Verhältnis der Hydroxylgruppen auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Si-Substrat höher als 10/20% ist, wobei die Grenzflächenpotential-Energiebarriere sehr hoch ist, rollt die Kohlenstoffnanoröhrchen weiter. Die Abstimmung des Bewegungsmodus ist bei CNTs mit unterschiedlichen chiralen Winkeln, Längen und Durchmessern durch Anpassung des Verhältnisses der Hydroxylgruppen möglich. Der Einfluss der Hydroxylgruppe auf den Bewegungsmodus der Kohlenstoffnanoröhre könnte genutzt werden, um die Bewegung von CNT zu steuern, und programmierbare Nanovorrichtungen könnten hergestellt werden.

Abkürzungen

LAMMPS:

Großer atomarer/molekularer massiv paralleler Simulator

NEMs:

Nanoelektromechanische Systeme

SWCNTs:

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen