Efek penguncian kecepatan partikel pada lapisan graphene dengan gelombang permukaan berjalan

Abstrak

Difusi cepat yang disebabkan oleh fluktuasi termal dan getaran telah terdeteksi pada skala nano. Dalam makalah ini, pergerakan partikel pada lapisan graphene dengan gelombang permukaan berjalan dipelajari dengan simulasi dinamika molekuler dan model teoritis. Dibuktikan bahwa partikel akan tetap bergerak pada kecepatan gelombang dengan kondisi prasyarat tertentu, yaitu efek penguncian kecepatan. Dengan menyatakan potensial van der Waals (vdW) antara partikel dan permukaan bergelombang sebagai fungsi kelengkungan, mekanisme diklarifikasi berdasarkan genangan potensial dalam koordinat kerangka gelombang relatif. Dua kondisi prasyarat diusulkan:posisi awal partikel harus berada di genangan potensial, dan energi kinetik awal tidak dapat mendorong partikel untuk melompat keluar dari genangan potensial. Analisis parametrik menunjukkan bahwa daerah penguncian kecepatan akan dipengaruhi oleh panjang gelombang, amplitudo dan potensial pasangan antara partikel dan gelombang. Dengan panjang gelombang yang lebih kecil, amplitudo yang lebih besar dan potensi vdW yang lebih kuat, wilayah penguncian kecepatan lebih besar. Karya ini mengungkapkan jenis baru gerakan koheren partikel pada material berlapis berdasarkan teori potensi genangan, yang dapat menjadi penjelasan untuk fenomena difusi cepat pada skala nano.

Pengantar

Baru-baru ini, serangkaian fenomena transpor cepat dan difusi yang diinduksi gelombang permukaan/fonon terdeteksi pada skala mikro/nano. Pada awalnya, fenomena termoforik sepanjang karbon nanotube [1,2,3,4,5] atau pita graphene [6,7,8,9,10] telah diselidiki secara ekstensif. Fluktuasi termal dikonfirmasi untuk memungkinkan aliran air terus menerus melalui karbon nanotube (CNT) dengan memaksakan gradien termal aksial sepanjang permukaannya [11,12,13]. Simulasi dinamika molekul nonequilibrium dilakukan untuk mengeksplorasi kelayakan pemanfaatan gradien termal pada substrat graphene besar untuk mengontrol gerakan nanoflake graphene kecil [6]. Selain itu, transportasi tetesan air yang digerakkan secara termal pada permukaan graphene dan heksagonal boron nitrida (h-BN) dipelajari dengan simulasi dinamika molekuler [8, 9]. Fenomena ini disarankan untuk berkorelasi dengan mode fonon tertentu [14,15,16,17,18,19]. Misalnya, Schoen et al. menghubungkan gerakan termoforik di dalam tabung nano karbon dengan mode pernapasan tabung [1, 20]. Panizon dkk. [21] menunjukkan gelombang perjalanan lentur/fonon pada graphene dapat melewatkan momentumnya ke adsorbat dan menyebabkan transpor. Mirip dengan fenomena termoforik, Angelos et al. menunjukkan riak propagasi yang diinduksi suhu pada graphene dapat menyebabkan difusi cepat nanodroplet air yang 2-3 kali lipat lebih cepat daripada difusi sendiri molekul air dalam air cair [22, 23].

Selain fluktuasi termal, penelitian mengkonfirmasi bahwa getaran juga dapat mengangkut partikel dan tetesan di dalam dan di luar karbon nanotube (CNT) [24,25,26,27]. Misalnya, nanodroplet diangkut sepanjang nanotube dengan kecepatan mendekati 30 nm/ns ketika gelombang akustik transversal terpolarisasi linier melewati momentum linier ke nanodroplet [24, 28]. Guo dkk. menunjukkan bahwa molekul air di dalam kantilever bergetar didorong oleh gaya sentrifugal dan dapat menjalani aliran terus menerus dari ujung tetap ke ujung bebas dari CNT dengan simulasi dinamika molekul [26, 29]. Sebuah transportasi nano baru searah molekul air melalui karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNT) dirancang dengan menggunakan biaya getaran dan SWCNT komposit dengan energi permukaan asimetris [30]. Zhou dkk. [31] menyelidiki inversi arus dalam pompa air berukuran nano berdasarkan tabung nano karbon berdinding tunggal yang ditenagai oleh getaran mekanis dan mengonfirmasi bahwa arus air bergantung secara sensitif pada frekuensi getaran mekanis. Chang dan Guo [32] menemukan gelombang domino dalam nanotube karbon yang dapat menembak molekul bagian dalam dengan kecepatan besar hingga 1 km/s. Proses domino reversibel juga dibuktikan dalam nanotube karbon berdinding tunggal [33].

Karena berbagai fenomena difusi dan transportasi cepat yang disebabkan oleh fluktuasi termal dan getaran terdeteksi pada skala nano, dipastikan bahwa gerakan naik dan turun di permukaan dapat meningkatkan difusi dan transportasi. Hubungan antara gelombang dan gerak partikel masih belum jelas dan tidak dapat disatukan. Penjelasan utama adalah bahwa momentum permukaan dapat diangkut ke partikel atau tetesan di luar permukaan [22, 24]. Tetapi hubungan antara amplitudo, frekuensi dan interaksi antara partikel dan permukaan tidak dapat dijelaskan dari penjelasan ini. Selain itu, Angelos et al. menunjukkan bahwa preferensi yang jelas untuk satu tanda kelengkungan graphene diperlukan untuk difusi cepat adsorbat pada permukaan graphene [22], yang menunjukkan potensi interaksi yang disebabkan oleh morfologi permukaan bergelombang terkait erat dengan difusi cepat. Dengan demikian, menjelajahi interaksi antara permukaan bergelombang dan partikel luar sangat penting untuk memahami mekanisme transportasi cepat dan difusi pada skala nano.

Dalam makalah ini, dengan mempelajari partikel di luar permukaan graphene bergelombang berdasarkan interaksi vdW yang digambarkan oleh potensi pasangan Lennard–Jones (L–J), hubungan yang koheren antara gerakan bergelombang dan kecepatan partikel ditunjukkan oleh simulasi MD. Kecepatan keseluruhan partikel yang dijatuhkan ke permukaan bergelombang dipastikan tetap sama dengan gelombang berjalan dengan kondisi prasyarat tertentu, yaitu efek penguncian kecepatan. Kemudian, teori genangan potensial dibangun berdasarkan potensi interaksi antara partikel dan permukaan gelombang yang dinyatakan sebagai fungsi kelengkungan [34,35,36]. Dengan teori ini, dua kondisi prasyarat untuk efek penguncian kecepatan diusulkan, dan lintasan dan kecepatan yang diprediksi oleh teori genangan potensial sesuai dengan hasil simulasi MD. Juga, efek panjang gelombang dan amplitudo serta parameter interaksi vdW dianalisis, yang menunjukkan persetujuan yang baik terhadap regulasi yang terdeteksi untuk fenomena selancar tetesan pada permukaan graphene [22]. Mekanisme efek penguncian kecepatan yang digerakkan oleh gelombang mengungkapkan hubungan koheren baru antara kecepatan partikel dan permukaan bergelombang.

Metode

Simulasi MD diimplementasikan dalam paket perangkat lunak Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). Permukaan bergelombang diasumsikan sebagai lapisan graphene, yang memiliki kerapatan nomor atom $\rho =3,85 \times 10^{19} \,{\text{m}}^{ - 2}$. Lembaran graphene awalnya datar dengan z = 0 Å dan panjangnya 6344 Å sepanjang x arah, menghasilkan ukuran sel satuan 6000 atom. Sepanjang sumbu y kondisi batas periodik digunakan dengan panjang periode 12,2 Å. Di sini, partikel bola dianggap dengan massa $m =0,83 \times 10^{ - 25} \,{\text{kg}}$, untuk menyederhanakan model dan fokus pada efek geometris dari permukaan bergelombang. Pada awalnya, partikel ditempatkan di z = 7 Å dan x = 200 Å. Ini memiliki kecepatan awal 50 m/s dalam z -arah dan sekitar 2000 m/s dalam x -arah. Dengan menyetel waktu mulai untuk kecepatan awal di z -arah, posisi awal dapat dikontrol untuk partikel yang jatuh pada permukaan bergelombang.

Potensi orde ikatan empiris reaktif (REBO) diadopsi untuk memodelkan atom graphene [37]. Sementara itu, potensial Lennard–Jones dipilih untuk memodelkan interaksi antara partikel $P$ dan setiap atom karbon dalam graphene sebagai,

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

di mana $\varepsilon =5,92 \times 10^{ - 21} \,{\text{J}}$ dan $\sigma =4 \times 10^{ - 10} \,{\text{m}} $. Ketinggian kesetimbangan antara partikel $P$ dan permukaan melengkung diambil sebagai $h =4.2 \kali 10^{ - 10} \,{\text{m}}$, ditentukan oleh kondisi gaya normal sebagai nol dan hasil simulasi, yang dirinci dalam file tambahan 1:1.

Fungsi gelombang berjalan mengambil bentuk sinusoidal sebagai,

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

di mana amplitudo diambil sebagai $A =1 \times 10^{ - 9} \,{\text{m}}$ dan panjang gelombangnya adalah $\lambda =21,75 \times 10^{ - 9} \, {\text{m}}$ kecuali dinyatakan lain. Frekuensi sudut diambil sebagai $\omega ={{2\pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } {10^{ - 12} }}} \kanan. \kern-\nulldelimiterspace } {10^{ - 12} }}$ sesuai dengan periode 10 ps; jadi, kecepatan gelombang adalah $v_{{{\text{wave}}}} =2175\,{\text{m}}/{\text{s}} =\lambda \omega /2\pi$ . Untuk memicu gelombang perjalanan, 10 Å graphene kiri (yaitu y $\in$ [− 10, 0] Å) digoyangkan dalam z -arah dengan amplitudo dan frekuensi yang disebutkan di atas. Selain itu, atom karbon dengan x> 6010 Å dijepit agar lembaran graphene tetap stabil. Khususnya, jika lembaran grafena datar akan disimulasikan, atom grafena yang tidak dijepit juga akan ditambatkan ke posisi awalnya di sepanjang z -sumbu dengan konstanta pegas lemah 0,0938 eV//Å2 (selain A disetel ke 0).

Suhu awal 5 K ditetapkan untuk atom karbon tidak tetap. Suhu ini diatur untuk menghilangkan riak yang diaktifkan secara termal yang disebabkan oleh kopling harmonik antara mode tekuk dan regangan graphene dan fokus pada efek gelombang perjalanan yang disebabkan oleh eksitasi mekanis [22]. Struktur tersebut kemudian berkembang dalam micro-canonical ensemble (NVE) dengan langkah waktu 1 fs. Kami memantau evolusi ini dan menemukan suhu hampir tidak berubah selama seluruh simulasi.

Hasil dan Diskusi

Lintasan partikel pada permukaan graphene bergelombang serta permukaan graphene datar diilustrasikan pada Gambar 1. Interval waktu diambil sebagai periode permukaan bergelombang. Ditemukan bahwa posisi relatif partikel tidak berubah mengacu pada puncak gelombang atau palung, yang berarti partikel terkunci pada permukaan bergelombang dengan kecepatan sama dengan kecepatan gelombang. Sebagai perbandingan, gerakan partikel secara keseluruhan pada permukaan datar ternyata lebih lambat daripada pada permukaan bergelombang dengan posisi awal yang sama. Kecepatan partikel berkurang dengan cepat pada permukaan datar karena gesekan, sedangkan gesekan tampaknya tidak bekerja untuk partikel pada permukaan graphene bergelombang. Lebih banyak kasus simulasi MD dengan suhu simulasi yang berbeda dan parameter fungsi gelombang ditunjukkan pada File tambahan 1:1. Simulasi atom Xe dan molekul C₆₀ bergerak pada permukaan bergelombang dan datar dilakukan untuk mengkonfirmasi generalisasi fenomena ini dan ditunjukkan pada file tambahan 1:2.

Lintasan partikel pada permukaan graphene bergelombang dan datar

Untuk memahami mekanisme efek penguncian kecepatan pada skala nano, sebuah model dibangun dengan mempertimbangkan interaksi antara permukaan bergelombang S dan partikel eksternal P , yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b. Asumsikan panjang gelombang dan amplitudo permukaan bergelombang adalah $\lambda$ dan A , masing-masing, ketinggian terdekat antara P dan S adalah h , kepadatan jumlah S adalah ${\rho }_{s}$. Dalam simulasi MD, interaksi antara partikel P dan permukaan bergelombang diambil sebagai interaksi vdW, yang digambarkan oleh potensial L–J,

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

Konfigurasi geometri dan distribusi potensial. a Model 3D permukaan bergelombang S dan partikel eksternal P dengan titik terdekat P ₁ di permukaan; b model 2D dari permukaan bergelombang S dan partikel P; c perbandingan antara potensi interaksi permukaan bergelombang S dan partikel eksternal P oleh Persamaan. (1) dan simulasi MD; d distribusi potensial relatif di PXY koordinat

Kemudian, interaksi antara P dan S terbukti dapat dituliskan sebagai fungsi kelengkungan rata-rata dan kelengkungan Gauss berdasarkan potensial pasangan L–J [34,35,36],

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

Di sini, titik $P_{1}$ adalah titik terdekat di permukaan S menjadi partikel P , dan H dan $K$ masing-masing adalah kelengkungan rata-rata dan kelengkungan Gauss di titik $P_{1}$ (Gbr. 2a) [20]. Melalui potensi berbasis kelengkungan ini [Persamaan. (3)] telah digunakan dalam menjelaskan banyak fenomena abnormal pada skala mikro/nano [38, 39], keandalan Persamaan. (3) dalam hal ini divalidasi dengan membandingkan dengan potensial permukaan dalam simulasi MD untuk parameter yang diberikan di atas dan ditampilkan pada Gambar. 2c.

Sebelum menganalisis pengaruh permukaan bergelombang pada partikel P , gesekan harus diselidiki dan diperhitungkan. Gesekan antara partikel dan permukaan gelombang bisa sangat rumit pada skala nano [39,40,41,42,43]. Estimasi primitif gesekan dibuat dengan mensimulasikan gerakan partikel pada lapisan graphene datar oleh MD seperti yang dirinci dalam File tambahan 1:3. Untuk kenyamanan, di sini diambil permukaan datar alih-alih bergelombang. Perkiraan ini diperkirakan dalam file tambahan 1:3 dikombinasikan dengan mekanisme genangan potensial lebih lanjut. Dengan parameter yang diberikan di atas, gesekan diperkirakan sebagai $f =- 5,2 \times 10^{ - 13} \,{\text{N}}$.

Kemudian, potensial relatif antara permukaan S dan partikel P diselidiki dengan mempertimbangkan gesekan. Pertama, koordinat kerangka gelombang relatif $PXY$ dibangun seperti yang ditunjukkan dalam warna merah pada Gambar. 2b, yang bergerak dengan kecepatan gelombang sehingga tetap diam terhadap gelombang berjalan. Jadi, gelombang berjalan adalah "beku" di $PXY$. Karena partikel terus bergerak ke kanan mengacu pada graphene, gesekan yang bekerja padanya akan terus-menerus ke kiri di sepanjang permukaan. Akibatnya, potensial kerangka gelombang relatif akan menjadi potensial berbasis kelengkungan dikurangi kerja yang dilakukan oleh gesekan,

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

Mengganti potensi berbasis kelengkungan U _n dan gesekan menjadi Persamaan. (4), potensi kerangka gelombang relatif dapat dievaluasi dan digambarkan pada Gambar. 2d.

Karena koordinat kerangka gelombang PXY bergerak bersama dengan gelombang berjalan, lokasi awal partikel P dalam potensial menentukan lintasan partikel. Dengan asumsi bahwa kecepatan awal partikel P adalah $v_{0}$ dan kecepatan gelombang adalah $v_{{{\text{gelombang}}}}$, dua kondisi prasyarat dapat diusulkan berdasarkan Gambar. 2d:posisi awal partikel $ P$ terletak di genangan potensial zona merah $\lambda_{1}$; energi kinetik kerangka gelombang awal memenuhi $\frac{1}{2}m\left( {v_{0} - v_{{{\text{wave}}}} } \kanan)^{2} \le \Delta U$. Kemudian, partikel tersebut tidak akan bisa melompat keluar dari genangan air tetapi malah terperangkap dan bergoyang-goyang di dalam genangan air. Dalam perspektif koordinat absolut, partikel $P$ akan berosilasi dalam genangan potensial tetapi tetap bergerak dengan gelombang yang merambat dengan kecepatan yang terkunci di sekitar kecepatan gelombang, oleh karena itu efek penguncian kecepatan. Sebaliknya, jika lokasi awal partikel $P$ berada di dalam zona biru $\lambda_{2}$ atau energi kinetik awal relatif $\frac{1}{2}m\left( {v_{ 0} - v_{{{\text{wave}}}} } \right)^{2}> \Delta U$, partikel $P$ tidak akan tinggal di dalam satu genangan air tetapi melompat ke kiri ke genangan yang lebih rendah sepanjang permukaan potensial bingkai gelombang. Dalam perspektif koordinat absolut, partikel akan tertinggal di belakang gelombang yang merambat sampai keseimbangan gaya lain terpenuhi. Salah satu kemungkinan keseimbangan tersebut adalah bahwa partikel berhenti bergerak pada graphene sehingga gesekan menghilang. Menariknya, di lit [21]. Panizon dkk. mengungkapkan bahwa ketika ada perbedaan kecepatan, gelombang perjalanan akan dihamburkan oleh partikel dan menawarkan gaya propulsi, menunjukkan kecepatan akhir partikel akan lebih besar dari nol.

Untuk merumuskan dan mengilustrasikan teori kita dengan lebih baik, persamaan gerak partikel P selanjutnya ditetapkan oleh hukum gerak Newton. Kekuatan pendorong yang diberikan pada partikel P mencakup dua bagian, gaya normal $F_{{\text{n}}}$ dan gaya tangensial $F_{{\text{t}}}$, yaitu (Gbr. 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)

Untuk potensial L–J, interaksi tarik-menarik dan tolak-menolak terjadi antara atom, partikel eksternal $P$ akan tetap pada ketinggian h dimana gaya normal $F_{{\text{n}}}$ adalah nol, perhitungan penentuan tinggi h dimasukkan ke dalam file tambahan 1:2. Maka persamaan gerak partikel $P$ dalam arah $x$ adalah,

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

Di sini, $F_{x}$ adalah komponen gaya tangensial $F_{{\text{t}}}$ dalam arah $x$ (Gbr. 2b). Menghitung Persamaan. (6) memberikan lintasan partikel. Untuk permukaan gelombang sinusoidal, kelengkungan Gaussian adalah nol dan rata-rata kelengkungan sama dengan kelengkungan kurva pada permukaan $Ozx$, yaitu $K =0$ dan $H =\kappa$ [52], menggantikan persamaan (5) ke (6), lintasan bergerak partikel P dapat diselesaikan secara numerik.

Contoh penguncian dan pembukaan kunci ditunjukkan pada Gambar. 3. Untuk lokasi awal (Gbr. 3a) yang sesuai dengan wilayah penguncian $\lambda_{1}$ pada Gambar. 2d, lintasan dari hasil simulasi teoretis dan MD dibandingkan pada Gambar. 3b. Hal ini menunjukkan bahwa partikel berhenti bergerak pada permukaan graphene yang datar dalam waktu yang sangat singkat karena gesekan, sedangkan partikel terus bergerak ke kanan pada permukaan gelombang. Dan lintasan teoritis mendekati hasil simulasi MD. Kecenderungan ini lebih lanjut dikonfirmasi pada Gambar 3c untuk kecepatan partikel yang ditunjukkan dalam sepuluh kali waktu simulasi. Karena partikel jatuh di zona penguncian dan kecepatan awal sama dengan kecepatan gelombang, ia akan berosilasi di genangan air potensial dan kecepatan keseluruhannya akan sama dengan kecepatan gelombang, yang sesuai dengan spekulasi kami. Untuk partikel dengan lokasi awalnya (Gbr. 3d) yang jatuh di daerah buka kunci $\lambda_{2}$ pada Gbr. 2d, lintasan partikel pada permukaan gelombang cenderung konstan (Gbr. 3e) dan dikonfirmasi lebih lanjut oleh distribusi kecepatan. Sangat menarik bahwa gelombang berjalan dapat meningkatkan gerakan partikel bahkan ketika jatuh pada daerah pembuka kecepatan dibandingkan dengan gerakan partikel pada permukaan graphene yang datar. Gambar 3f mengilustrasikan bahwa kecepatan akan berkurang menjadi nol untuk waktu yang lebih lama daripada waktu simulasi. Contoh lainnya diilustrasikan dalam File tambahan 1:3.

Contoh mengunci dan membuka kunci. a Tampilan skema yang menunjukkan bagaimana partikel mendarat di daerah penguncian kecepatan $\lambda_{1}$ permukaan graphene bergelombang di mana kecepatan partikel awal adalah $v_{0} =2175\,{{\text{m} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\text{m}} {\text{s}}}} \kanan. \kern-\nulldelimiterspace} {\text{s}}}$; b tampilan skematis yang menunjukkan bagaimana partikel mendarat di wilayah buka kunci kecepatan $\lambda_{2}$ dari permukaan graphene bergelombang; c lintasan partikel dengan simulasi dan teori MD, lintasan partikel pada graphene datar juga diplot untuk perbandingan; d evolusi waktu kecepatan partikel dengan Persamaan. (6); e lintasan partikel dengan simulasi dan teori MD; f evolusi waktu kecepatan partikel dengan Persamaan. (6)

Menurut mekanisme genangan potensial, efek penguncian kecepatan partikel didominasi oleh permukaan gelombang potensial. Pengaruh parameter dapat didiskusikan berdasarkan teori potensi genangan. Jelas, ini termasuk panjang gelombang $\lambda$, amplitudo A , frekuensi $\omega$ dan parameter potensial L–J. Perlu dicatat bahwa gesekan diasumsikan tetap sama untuk parameter yang berbeda dalam analisis berikut. Distribusi potensial untuk panjang gelombang yang berbeda A , amplitudo $\lambda$ dan parameter potensial L–J $\varepsilon$ masing-masing diilustrasikan pada Gambar. 4. Gambar 4a mengungkapkan bahwa kedalaman genangan potensial berkurang dengan peningkatan $\lambda$, dan tidak akan ada rentang penguncian kecepatan saat panjang gelombang melebihi nilai kritis. Juga, karena frekuensi yang lebih rendah $\omega$ berhubungan dengan $\lambda\ yang lebih besar), rentang penguncian kecepatan menurun dengan peningkatan \(\omega$. Gambar 4b mengilustrasikan bahwa potensi kedalaman genangan meningkat dengan peningkatan A , dan efek penguncian kecepatan menghilang ketika amplitudo terlalu kecil. Perlu dicatat bahwa rasio A /$\lambda$ tidak boleh terlalu besar untuk mencegah kerusakan. Biasanya, $\lambda$ dan A meningkat ketika skala gelombang atau partikel meningkat. Untuk mempelajari efek skala, kami menjaga rasio $\lambda$/A memperbaiki dan memeriksa pengaruh variasi $\lambda$ atau A . Gambar 4c menunjukkan potensi kedalaman genangan air berkurang dengan cepat dengan bertambahnya $\lambda$ atau A . Hal ini menunjukkan bahwa gaya penggerak berbasis kelengkungan berkurang dengan cepat dengan skala yang meningkat, sehingga efek penguncian kecepatan untuk partikel akan hilang di permukaan dengan gelombang skala besar. Untuk parameter potensial L–J $\varepsilon$, dipastikan bahwa daerah penguncian kecepatan akan lebih luas ketika potensi interaksi pasangan kuat dan efek penguncian kecepatan akan hilang ketika potensi interaksi pasangan lemah (Gbr. 4d).

Pengaruh parameter pada pubble potensial:a efek panjang gelombang; b efek amplitudo gelombang; c pengaruh rasio panjang gelombang dan amplitudo; d efek parameter potensial L–J

Perlu dicatat bahwa kekakuan dan parameter potensial L-J berbeda untuk bahan nano 2D lainnya, yang menyebabkan frekuensi dan kecepatan gelombang yang berbeda [44]. Berdasarkan analisis parameter, potensi genangan akan muncul dengan memilih panjang gelombang dan amplitudo yang tepat untuk permukaan bergelombang. Karena genangan air potensial adalah prasyarat untuk partikel yang bergerak dengan permukaan bergelombang, efek penguncian kecepatan ini juga akan terbentuk untuk banyak lapisan material nano 2D di bawah interaksi jarak pendek.

Meskipun pergerakan satu partikel dibahas dalam makalah ini, itu masih dalam kerangka lingkungan termo. Genangan potensial adalah kondisi penting untuk gerakan kopling antara partikel dan permukaan. Untuk beberapa partikel, jika mereka semua berada di daerah genangan potensial dan memenuhi kondisi prasyarat, mereka akan terperangkap dan bergerak dengan permukaan bergelombang. Menurut efek parameter, pergerakan partikel dapat dikontrol dengan menyesuaikan panjang gelombang dan amplitudo. Karena daerah penguncian kecepatan akan lebih besar untuk gelombang permukaan dengan panjang gelombang yang lebih kecil, amplitudo yang lebih besar dan frekuensi yang lebih tinggi, difusi cepat pada permukaan bergelombang juga akan ditingkatkan. Analisis parametrik juga sesuai dengan regulasi difusi cepat yang terdeteksi di banyak literatur lain. Misalnya, Angelos dkk. menunjukkan bahwa koefisien difusi meningkat dengan amplitudo riak permukaan graphene [22]. Mereka mengkonfirmasi bahwa amplitudo riak meningkat mengungkapkan preferensi peningkatan tetesan untuk lembah, yang dapat dijelaskan oleh Gambar. 4b. Ketika amplitudo meningkat cukup, wilayah penguncian kecepatan mungkin akan menutupi seluruh panjang gelombang dan meningkatkan difusi. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa potensi lembah selalu lebih kecil daripada potensi puncak [22] (Gbr. 4), yang merespons potensi wilayah puncak yang lebih rendah yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Cao et al. mempelajari aliran fluida di dalam nanochannel dengan adanya gelombang permukaan yang bergerak dan mengkonfirmasi bahwa kecepatan meningkat dengan meningkatnya amplitudo dan frekuensi [45], yang juga sesuai dengan analisis parametrik.

Simulasi MD hanya dapat mencerminkan properti dalam waktu yang sangat singkat, aplikasi yang lebih potensial dari efek penguncian kecepatan ini dapat disimpulkan dari mekanisme genangan potensial. Misalnya, dengan menyesuaikan amplitudo dan frekuensi, dimungkinkan untuk mewujudkan wilayah yang hampir mengunci atau membuka kunci, yang dapat mendorong partikel untuk bergerak atau berhenti. Perlu dicatat bahwa gerakan bergelombang permukaan dalam arah vertikal dapat diubah menjadi gerakan partikel dalam arah melintang, yang mirip dengan semacam gerakan ratchet dan dapat digunakan dalam sistem nano-elektro-mekanis. Selain itu, karena interaksi antara partikel dan permukaan akan mempengaruhi pergerakan, lintasan yang ditingkatkan oleh permukaan bergelombang akan berbeda untuk partikel dengan pasangan potensial yang berbeda, yang dapat menyebabkan pemisahan frase.

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami menunjukkan hubungan khusus antara partikel dan lapisan graphene dengan gelombang permukaan yang bergerak, yaitu fenomena penguncian kecepatan. Dengan simulasi MD, dipastikan bahwa kecepatan partikel dapat dijaga di sekitar kecepatan gelombang dengan kondisi tertentu. Sebuah model teoritis dibangun untuk menjelaskan mekanisme, di mana genangan permukaan potensial mendominasi efek penguncian. Kondisi penguncian diusulkan berdasarkan model ini, yaitu posisi awal partikel terletak di genangan potensial dan energi kinetik awal tidak dapat mendorong partikel untuk melompat keluar dari genangan potensial. Lintasan partikel yang diprediksi oleh prediksi teoretis sangat sesuai dengan hasil simulasi MD. Pengaruh panjang gelombang dan amplitudo serta parameter potensial L-J dibahas. Karya ini juga memberikan perspektif baru untuk memahami difusi dan transportasi cepat pada permukaan bergelombang dan aplikasi potensial untuk pemisahan frasa.

Ketersediaan data dan materi

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini [dan file tambahannya].

Singkatan

MD:: Dinamika molekuler
vdW:: Van der Waals
CNT:: Tabung nano karbon
h-BN:: Boron nitrida heksagonal
SWCNT:: Tabung nano karbon berdinding tunggal
L–J:: Lennard–Jones
LAMMPS:: Simulator Paralel Besar-besaran Atom/Molekul Skala Besar
REBO:: Orde ikatan empiris reaktif
NVE:: Ansambel mikro-kanonik

Fluks Air File Tunggal Melalui Membran Nanopori Dua Dimensi TFET Saluran SiGe Berbentuk Sirip Baru dengan Kinerja yang Lebih Baik

bahan nano