Menyetel Mode Gerak Slide-Roll Karbon Nanotube melalui Grup Hidroksil

Hasil dan Diskusi

Kami pertama-tama menetapkan kecepatan translasi konstan 10 m/s untuk karbon nanotube di x arah. Dalam kedua model a dan b, karbon nanotube meluncur pada substrat. Namun, penggulungan terjadi pada model c di mana karbon nanotube dan substrat Si keduanya ditutupi dengan gugus hidroksil. Ketika rasio gugus hidroksil dari karbon nanotube dan substrat Si keduanya 10%, nanotube karbon menggelinding pada substrat Si, disertai dengan sedikit geseran (File tambahan 1:Film S1). Selain itu, jika rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si masing-masing adalah 10 dan 20%, nanotube karbon terus bergulir pada substrat Si selama waktu simulasi (File tambahan 2:Film S2). Gambar 2a menunjukkan lintasan gerak tiga dimensi atom C pada karbon nanotube ketika rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si masing-masing adalah 10 dan 20%. Pergerakan atom C merepresentasikan gerakan carbon nanotube karena carbon nanotube tidak akan berubah bentuk secara jelas. Koordinat karbon nanotube di z arah bergerak naik dan turun dengan jelas, dan maksimum z perpindahannya sekitar 1,3 nm, yang mirip dengan diameter SWCNT (10,10) sebesar 1,38 nm. Hasilnya menunjukkan gerakan menggelinding. Karbon nanotube bergerak sekitar 10,8 nm di x arah. Karena kecepatan konstan 10 m/s dalam x arah diterapkan ke karbon nanotube, yang membuat karbon nanotube bergerak 9,5 nm di x arah selama proses gerak 950-ps. Oleh karena itu, jarak gerak ekstra di x arahnya adalah 1,3 nm. Nilai tersebut sama dengan perpindahan maksimum z, yang menunjukkan bahwa gerakan menggelinding dominan. Selain itu, sedikit meluncur di y arah juga terjadi. Alasannya dapat dikaitkan dengan gaya ketidakseimbangan sepanjang arah aksial karbon nanotube karena distribusi acak gugus hidroksil, yang membuat karbon nanotube meluncur sepanjang y arah. Fenomena serupa dapat ditemukan dalam karya penelitian lain [31]. Ketika rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si berubah menjadi 5% dan 5%, serta 5% dan 10%, pergerakan karbon nanotube menjadi berbeda. Gambar 2b menunjukkan posisi atom C di z arah ketika rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si adalah 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%, dan 10%/20%. Dalam kasus rasio gugus hidroksil adalah 5%/5% dan 5%/10%, geser adalah gerakan utama, disertai dengan sedikit menggelinding. Dalam kasus ketika rasio gugus hidroksil adalah 5%/5%, tabung nano karbon meluncur sekitar 500 ps disertai dengan sedikit penggulungan dan kemudian menggulung sekitar 500 ps. Jika rasio gugus hidroksil adalah 5%/10%, tabung nano karbon meluncur sekitar 500 ps dengan sedikit menggelinding lalu terus meluncur.

a Lintasan gerak tiga dimensi atom C pada karbon nanotube. Rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si masing-masing adalah 10 dan 20%. b Koordinat atom C pada karbon nanotube di z arah sebagai fungsi waktu. Rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si berturut-turut adalah 5%/5%, 5%/10%, 10%/10%, dan 10%/20%

File tambahan 1:Film S1 . (AVI 4439 kb)

File tambahan 2:Film S2 . (AVI 4929 kb)

Untuk menetapkan mekanisme perubahan mode gerak karena gugus hidroksil, kami memeriksa energi potensial antarmuka dalam kondisi yang berbeda, karena perilaku gerak SWCNT dipengaruhi oleh penghalang potensial antarmuka [15]. Energi potensial antarmuka antara nanotube karbon dan substrat Si dalam model a dan c ditampilkan pada Gambar. 3a, b, yang diperoleh dengan membiarkan karbon nanotube meluncur di atas substrat selama 20,0 dan 20,0 nm sepanjang x dan y arah, masing-masing, setelah relaksasi. Dalam model c, kasus dengan rasio gugus hidroksil karbon nanotube dan substrat Si 10%/20% dipilih karena nanotube karbon terus bergulir dalam kondisi ini. Dalam model ideal a, karena keadaan yang tidak sepadan antara karbon nanotube dan substrat Si, distribusi energi potensial antara antarmuka merata. Akibatnya, nanotube karbon meluncur pada substrat. Namun, dalam model c, interaksi gugus hidroksil antar antarmuka menyebabkan perubahan energi potensial antarmuka yang sangat besar. Puncak penghalang potensial lokal bahkan mencapai urutan 10 ⁷ eV. Distribusi acak gugus hidroksil menyebabkan distribusi penghalang potensial tinggi yang seragam. Oleh karena itu, nanotube karbon tidak dapat melintasi penghalang potensial secara langsung, menghasilkan penggulungan untuk mengurangi penghalang potensial antarmuka. Karena penghalang potensial menutupi seluruh permukaan karena distribusi acak gugus hidroksil, nanotube karbon terus bergulir sepanjang x arah. Untuk kasus di mana rasio gugus hidroksil karbon nanotube dan substrat Si adalah 5%/5%, 5%/10%, dan 10%/10%, penghalang potensialnya relatif lebih rendah daripada kasus di mana gugus hidroksil ' rasionya adalah 10%/20%. Alasannya adalah bahwa lebih sedikit gugus hidroksil pada antarmuka menghasilkan interaksi yang lebih lemah. Ketika energi kinetik karbon nanotube lebih tinggi dari penghalang, itu meluncur. Jika tidak, tabung nano karbon mulai menggulung.

a , b Energi potensial antarmuka antara nanotube karbon dan substrat Si. a Model ideal. b Rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si adalah 10%/20%. c Gesekan rata-rata pada nanotube karbon dalam enam kasus. Sisipan menunjukkan gesekan nanotube karbon dengan waktu dalam tiga kasus pada model a, b, dan c. Rasio gugus hidroksil karbon nanotube dan substrat Si pada model b dan c masing-masing adalah 0/10% dan 10%/10%. d Jumlah ikatan hidrogen rata-rata dalam enam kasus di c

Pengenalan gugus hidroksil antara antarmuka tidak hanya mempengaruhi gerakan karbon nanotube tetapi juga gesekan antar antarmuka. Gambar 3c menunjukkan gesekan rata-rata pada karbon nanotube dalam enam kasus, di mana rasio gugus hidroksil dari karbon nanotube dan substrat Si adalah 0/0, 0/10%, 5%/5%, 5%/10%, 10% /10%, dan 10%/20%, masing-masing. Hasil menunjukkan bahwa gesekan rata-rata meningkat secara signifikan dengan rasio gugus hidroksil. Dalam model a dan b, gaya gesekan rata-rata hampir nol. Karena kekasaran permukaan meningkat karena pengenalan gugus hidroksil, gesekan rata-rata dalam model b lebih besar daripada di model ideal a. Inset pada Gambar 3c menunjukkan fluktuasi gaya lateral pada model b lebih besar dari pada model a. Dalam model c, karena karbon nanotube dan substrat Si keduanya merupakan kelompok hidroksil yang dicangkokkan, fluktuasi gaya lateral dan gesekan rata-rata secara signifikan lebih besar daripada model a dan b. Jika rasio gugus hidroksil 10%/20%, gesekan rata-rata meningkat menjadi sekitar 2,19 nN.

Untuk wawasan yang lebih mendalam tentang mekanisme gesekan dan perilaku gerak, kami telah mempelajari ikatan kimia selama gerakan. Kami mengamati bahwa ikatan hidrogen terbentuk antara gugus hidroksil pada antarmuka. Jumlah ikatan hidrogen rata-rata yang sesuai dalam enam kasus ini diilustrasikan pada Gambar. 3d. Peningkatan jumlah ikatan hidrogen menyebabkan penghalang potensial yang lebih tinggi dan gesekan dengan peningkatan rasio gugus hidroksil. Ini karena ikatan hidrogen memiliki pengaruh besar pada gesekan [32].

Perilaku gerak nanotube karbon dipengaruhi tidak hanya oleh gugus hidroksil antar antarmuka tetapi juga oleh kecepatan nanotube karbon, terutama ketika penghalang potensial antarmuka relatif rendah karena jumlah gugus hidroksil antarmuka yang kecil. Dengan tabung nano karbon dengan kecepatan 20, 50, 70 m/s, Gambar 4a menunjukkan koordinat atom C di z arah ketika rasio gugus hidroksil karbon nanotube dan substrat Si adalah 5%/5%. Pada kecepatan 20 m/s, penggulungan mendominasi gerakan karbon nanotube. Pada kecepatan 50 m/s, karbon nanotube bergerak 50 nm di x arah dan gulungan untuk satu putaran, yang berarti geser dan menggelinding terjadi secara bergantian. Pada kecepatan 70 m/s, tabung nano karbon sebagian besar meluncur di atas substrat disertai dengan sedikit penggulungan. Alasannya mirip dengan bahwa gugus hidroksil yang diperkenalkan di antara permukaan dapat menyesuaikan gerakan karbon nanotube. Karena penghalang antarmuka relatif rendah, ketika energi kinetik karbon nanotube besar, nanotube karbon langsung melewatinya. Namun, ketika energi kinetik rendah, nanotube karbon cenderung berguling untuk menurunkan penghalang antarmuka. Selain itu, kurva gaya gesekan rata-rata dengan kecepatan nanotube karbon ketika rasio gugus hidroksil 5%/5% ditunjukkan pada Gambar 4b. Gesekan berkurang dengan kecepatan, yang konsisten dengan pekerjaan eksperimental peneliti lain [32].

a Koordinat atom C pada karbon nanotube di z arah sebagai fungsi waktu ketika karbon nanotube bergerak dengan kecepatan 20, 50, dan 70 m/s. b Kurva gaya gesekan rata-rata dengan kecepatan nanotube karbon. c Koordinat atom C pada karbon nanotube di z arah ketika rasio gugus hidroksil pada karbon nanotube dan substrat Si adalah 5%/10%. Gaya eksternal konstan yang diterapkan pada karbon nanotube adalah 0,000625 nN di x arah

Hasil serupa dapat diperoleh dengan menerapkan gaya eksternal konstan pada karbon nanotube di x arah. Di satu sisi, ketika kekuatan eksternal besar, nanotube karbon hanya meluncur pada substrat. Di sisi lain, jika gayanya terlalu kecil, nanotube karbon tidak bisa bergerak. Akibatnya, ada transisi roll-slide di bawah gaya eksternal konstan sebesar 0,000625nN. Gambar 4c menunjukkan koordinat atom C pada karbon nanotube di z arah ketika rasio gugus hidroksil karbon nanotube dan substrat Si adalah 5%/10%. Hasilnya menunjukkan bahwa koordinat atom C pada z arah meningkat jelas pada tahap pertama, yang menunjukkan mode bergulir. Kemudian, koordinat di z arah tidak banyak berubah di tahap selanjutnya, yang berarti mode geser mendominasi dalam gerakan. Alasannya adalah energi kinetik dari karbon nanotube kecil pada awalnya, yang tidak mampu mengatasi penghalang antarmuka secara langsung, mengakibatkan rolling. Dengan meningkatnya energi kinetik karbon nanotube, perilaku gerakannya berubah dari gulungan ke geser.

Kami lebih lanjut menyelidiki pengaruh sudut kiral, diameter, dan panjang nanotube karbon pada perilaku gerak mereka. Pertama, kami menguji efek sudut kiral menggunakan lima konfigurasi, SWCNT (11,9), SWCNT (12,8), SWCNT (13,7), SWCNT (14,6), dan SWCNT (15,0), yang memiliki sudut yang berbeda tetapi memiliki diameter yang hampir sama. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perilaku geraknya sama dengan SWCNT (10,10), menunjukkan bahwa pengaruh sudut kiral pada perilaku gerak nanotube karbon hidroksil yang dicangkok dapat diabaikan. Selanjutnya dipilih SWCNT (7,7), SWCNT (15,15), SWCNT (20,20), dan SWCNT (25,25) untuk mempelajari pengaruh diameter. Hasil model a dan b mirip dengan SWCNT (10,10). Namun pada model c, hasilnya berbeda dengan SWCNT (10,10). Ketika mode gerak SWCNT (15,15), SWCNT (20,20), dan SWCNT (25,25) berubah menjadi rolling terus menerus, rasio gugus hidroksil adalah 10%/25%, 15%/30%, dan 20%/30%, masing-masing. Semakin besar diameternya, semakin tinggi rasio gugus hidroksil ketika mode gerak berubah. Alasannya dapat dikaitkan dengan perubahan area kontak antarmuka. Struktur antarmuka menunjukkan bahwa SWCNT (15,15), SWCNT (20,20), dan SWCNT (25,25) semuanya memiliki platform di bagian bawah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, yang menyebabkan gesekan yang lebih tinggi dan kesulitan untuk gulungan. Rasio gugus hidroksil yang lebih tinggi menawarkan interaksi antarmuka yang lebih kuat dan akhirnya menghasilkan terjadinya rolling. SWCNT (7,7) dan SWCNT (10,10) keduanya tidak memiliki platform di bagian bawah, dan kemudian, perilaku gerak SWCNT (7,7) hampir sama dengan SWCNT (10,10). Akhirnya, kami mengeksplorasi efek panjang pada gerakan dengan mengubah panjang SWCNT (10,10). Tiga panjang, 21,7, 54,3, dan 81,4 nm, secara eksplisit diteliti. Kami menemukan bahwa perilaku gerak SWCNT (10,10) dengan panjang 21,7 nm konsisten dengan model awal c. Namun, dalam kasus dengan panjang 54,3 dan 81,4 nm, mereka menunjukkan sedikit deformasi lentur selama proses penggulungan karena rasio aspek panjang dan diameter yang besar.

Struktur nanotube karbon pada substrat Si. a SWCNT (15,15). b SWCNT (20,20). c SWCNT (25,25)