Исследование прогиба композита «УНТ-графен» с использованием молекулярно-динамического моделирования

Abstract

В последнее время графен и наноматериалы на его основе используются в области биомедицины в качестве материала для биосенсорики. Основными компонентами в биосенсорах являются датчики, которые должны быть гибкими, масштабируемыми, чувствительными и надежными. Деформация материала изменяет его электрическое сопротивление, поэтому исследование механических свойств композитов, состоящих из нанотрубок и графена, является важной задачей. В настоящее время осуществляется активная разработка методик синтеза композитов, состоящих из графена и параллельно ему ориентированных нанотрубок. В связи с этим в данной работе проведено теоретическое исследование зависимости изгибающей силы от поперечного смещения атомов в центре композитного материала, состоящего из графена и параллельно ему ориентированных $(8,0)$ zigzag-нанотрубок. Выбор нанотрубки с хиральностью $(8,0)$ для исследования в данной работе обусловлен минимальным диаметром нанотрубок, входящих в состав композита данного типа. Устойчивость композита оценивалась путем расчета по величине энтальпии и связывалась с отрицательными ее значениями. Установлено, что энтальпия не изменяется в зависимости от расстояния между осями, вдоль которых ориентированы нанотрубки, входящие в состав композитов. Композитный материал удерживается с двух краев опорами при отсутствии подложки. Поиск равновесного состояния структуры определялся методом молекулярной механики с использованием энергетического потенциала Бреннера в рамках метода молекулярной динамики. Математическое моделирование действия иглы атомно-силового микроскопа осуществлялось при помощи однослойной углеродной нанотрубки типа armchair. Взаимодействие между armchair-нанотрубкой и композитом осуществляется за счет сил Ван - дер - Ваальса. Нанотрубки типа armchair удобны для их использования в качестве иглы атомно-силового микроскопа, потому что их край не имеет острых углов (в отличие от трубок типа zigzag), т. е. при контакте будут наноситься минимальные повреждения системе. Приводятся результаты расчетов для зависимости энтальпии от диаметра нанотрубок, стрелы прогиба в центре пластины из композитного материала «УНТ-графен» от приложенной силы при изгибе. Показано, что исследуемые в данной работе нанокомпозиции энергетически устойчивы.