Hybride aanpak ontwikkeld voor het analyseren en ontwerpen van grafeen-gebaseerde materialen op nanosheet

De Helfrich -theorie van membraanbuiging, ondersteund door moleculaire dynamica -simulaties, is een veelbelovende aanpak voor het evalueren van mechanische eigenschappen van grafeen nanosheets, melden onderzoekers van het Institute of Science Tokyo. Deze hybride benadering maakt directe evaluatie van buigstariditeiten van grafeen nanosheets mogelijk, zelfs met roosterdefecten, zonder experimentele tests te vereisen, die waardevolle inzichten biedt voor het ontwerpen van nieuwe tweedimensionale materialen met op maat gemaakte mechanische eigenschappen.

Graphene nanosheets (GS) zijn tweedimensionale (2D) nano-koolstofmaterialen bekend om hun opmerkelijke flexibiliteit, uitzonderlijke mechanische sterkte en hun vermogen om verschillende vormen aan te nemen. In het bijzonder kunnen door het introduceren van 5- of 7-ledige ringen in hexagonvormige GSS, conische of paarden-sadelachtige vormen worden gevormd.

Stel je een zeshoekig stuk papier voor, dat is verdeeld in zes gelijkzijdige driehoeken. Het verwijderen van één driehoek creëert een 5-ledige ring, die, wanneer gebogen, een kegel vormt, terwijl het toevoegen van een driehoek een 7-ledige ring vormt, die een zadelachtige vorm produceert. Deze ringstructuren zijn rotatietype roosterafwijkingen die bekend staan als onthullingen.

Er zijn openbaarheden gebruikt om verschillende op GS gebaseerde materialen te ontwikkelen. Bijvoorbeeld, golfvormige GSS genaamd Egg-Tray Graphene, die periodieke ringen van 5 of 7 leders hebben, staan bekend om hun impactweerstand. GSS met 7-koppige ringen tonen belofte voor gebruik als nanospers. Deze roosterdefecten hebben een significant effect op de lokale kromming en mechanische eigenschappen van GSS, vooral hun buigstijfheid.

Hoewel de buigstijfheid van platte GSS goed is bestudeerd, blijft die van GSS met openbaarsaties slecht begrepen vanwege de variabiliteit die wordt geïntroduceerd door vervormingen die precieze metingen moeilijk maken.

Om deze kloof aan te pakken, ontwikkelde een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Xiao-Wen Lei van de School of Materials and Chemical Technology van Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, een nieuwe aanpak.

“We hebben een nieuwe hybride benadering ontwikkeld, die moleculaire dynamieksimulaties combineren met de Helfrich -theorie van membraanbuigen”, legt Lei uit. “Deze methode zorgt voor directe evaluatie van buigstijfheid van GSS met roosterdefecten rechtstreeks uit atomaire configuraties zonder experimentele tests te vereisen.”

Het team omvatte afgestudeerde student Yushi Kunihiro en professor Toshiyuki Fujii van Science Tokyo en universitair hoofddocent Takashi Uneyama van de Nagoya University. Hun studie was gepubliceerd in het dagboek Nanoschaal.

De Helfrich-theorie van membraanbuiging beschrijft het buitenvlak buigen van 2D-materialen door hun kromming te modelleren met behulp van energieoverwegingen. Hoewel oorspronkelijk ontwikkeld voor het analyseren van lipidebilagen van biologische cellen, is deze theorie ook van toepassing op GSS vanwege geometrische en mechanische overeenkomsten. Het analytisch oplossen van deze theorie is echter notoir moeilijk. Om de analyse te vereenvoudigen, hebben de onderzoekers moleculaire dynamica -simulaties toegepast.

Met behulp van deze aanpak analyseerde het team vier soorten analytische modellen van GSS met onthullingen: positieve onthulling monopoles (5-koppige ringen), negatieve onthulling monopoles (7-ledige ringen) en verbonden en gescheiden dislinatiedipolen die de monopoles combineren. In verbonden dipolen worden de positieve en negatieve discinaties bij elkaar geplaatst, terwijl ze in gescheiden dipolen uit elkaar staan op verschillende afstanden van gescheiden dipolen.

De berekende buigstijfheidswaarden waren binnen het redelijke bereik dat in eerdere studies werd gerapporteerd, wat de geldigheid van de aanpak benadrukt. Meer in het bijzonder onthulden de resultaten voor het eerst verschillen in trends tussen GSS met monopoles en dipolen. Dislinatie -dipolen vertoonden vergelijkbare buigstijfheid zodra niet -lineaire effecten waren uitgesloten.

Voor dipolen resulteerde de combinatie van conische en zadelvormige oppervlakken in een lokale vormverandering met een overeenkomstige lokale verandering in buigstijfheid. Bovendien, naarmate de afstand tussen de onthullingen toeneemt, convergeert de buigstijfheid naar een stabiele waarde, wat het belang van roosterafwijkingsdichtheid benadrukt.

“Onze bevindingen bieden niet alleen een basis voor het begrijpen van mechanische eigenschappen van GSS met roosterdefecten, maar ook inzichten voor het ontwerpen van nieuwe GSS met specifieke buigrigiditeiten en mechanische eigenschappen op maat”, merkt LEI op.

Over het algemeen zal deze studie de ontwikkeling van nieuwe GS-gebaseerde materialen versnellen, zoals nano-springs en impactbestendige grafeenstructuren, wat leidt tot geavanceerde 2D-materialen.