МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРАФЕНОВЫХ НАНОБЛИСТЕРОВ
, ,
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им.
E-mail: *****@***ru
Актуальной задачей современного развития индустрии наносистем является разработка прорывных энергосберегающих нанотехнологий, используемых в различных прикладных сферах. Одной из таких технологий может стать технология хранения водорода в углеродных наноматериалах, используемая в экологических автомобилях с топливными элементами и в других устройствах водородной энергетики. Среди разнообразных углеродных наноструктурированных материалов, рассматриваемых в качестве перспективных вместителей водорода, предпочтение отдается графену и его производным по причине их высокой прочности и адгезионной способности. В частности, в последние несколько лет интенсивно развивается направление, посвященное экспериментальным и теоретическим исследованиям графеновых наноблистеров, гидрированных с их внутренней стороны до графанового состава и содержащих интеркалированный газообразный молекулярный водород высокого давления [1-2]. Структуры такого типа образуются на поверхности высоко ориентированного пиролитического графита или эпитаксиального графена при их обработке атомарным газообразным водородом [3-4]. Для расширения спектра практического использования блистерных структур необходимо подробно изучить вопросы их термодинамической устойчивости и произвести оценку распределения напряжений по атомам структуры с целью выявления областей атомной сетки, наиболее подверженных разрушению при оказании на структуру внешнего воздействия. Целью данного научного исследования является теоретическое прогнозирование термодинамической устойчивости графеновых наноблистеров различной структурной конфигурации и нахождение распределения локальных напряжений рассматриваемых структур.
Для решения сформулированных выше научных задач впервые были построены атомистические модели графеновых наноблистеров, отвечающие данным натурного эксперимента. В частности, при построении атомистических моделей за основу были взяты данные работы [5]. В качестве инструмента исследования в работе использовался программный продукт KVAZAR [6], хорошо зарекомендовавший себя при исследовании термодинамической устойчивости углеродных наноструктур [7]. Оценка термодинамической устойчивости и построение распределения локальных напряжений блистеров осуществлялась с помощью метода AIREBO [8]. Расчет локальных напряжений выполнялся с помощью оригинальной методики [9].
В ходе исследования было построено несколько атомистических моделей графеновых наноблистеров, различающихся диаметром и высотой островка. Диаметр варьировался в диапазоне 3.8-5 нм, а высота в пределах от 0.8 до 1 нм. Пример атомистической модели блистера, построенной в данной работе, показан на рис. 1.
Рис. 1. Атомистическая модель графеновых наноблистеров.
В результаты анализа данных численного эксперимента были установлены новые физические закономерности влияния топологии на термодинамическую устойчивость наноблистеров. Построены распределения локальных напряжений графеновых блистерных структур, атомная сетка которых содержит различные структурные дефекты. Показано, как концентрация и расположение дефектов влияет на картину распределения максимальных напряжений, испытываемых атомами наноблистеров.
Работа выполнена при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам СП-3135.2016.1.
Библиографический список
1. Nechaev Y. S., Veziroglu T. N. Thermodynamic Aspects of the Graphene/Graphane/Hydrogen Systems: Relevance to the Hydrogen On-Board Storage Problem // Advances in Materials Physics and Chemistry. 2013. V. 3. N 5. P. 255-280.
2. Xiang H. J., Kan E. J., Wei S. H., Gong X. G., Whangbo M. H. Thermodynamically stable single-side hydrogenated graphene // Phys. Rev. B 2010. V. 82. № 000. P. 1-4.
3. Watcharinyanon S., Virojanadara C., Osiecki J. R., Zakharov A. A., Yakimova R., Uhrberg R. I.G., Johanssona L. I. Hydrogen intercalation of graphene grown on 6H-SiC(0001) // Surface Science. 2011. V. 605. № 17–18. P. 1662-1668.
4. Nechaev Y. S. On the Solid Hydrogen Intercalation in Multilayer Carbohydride-Like Graphane Nanostructures, Relevance to the Storage Applications // Journal of Nano Research. 2011. V. 15. P. 75-93.
5. Larciprete R., Colonna S., Ronci F., Flammini R., Lacovig P., Apostol N., Politano A., Feulner P., Menzel D., Lizzit S. Self-Assembly of Graphene Nanoblisters Sealed to a Bare Metal Surface // Nano Lett. 2016. V. 16. P. 1808-1817.
6. , , ПО «KVAZAR» - платформа для прогностического моделирования в области нано - и биомедицинских технологий // Саратов: Изд-во «Саратовский источник», 2015. – 247 с.
7. , , Шмыгин структура энергетически устойчивых композитов углеродные нанотрубки/графен // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 5. С. 994-998.
8. O’Connor T. C., Andzelm J., Robbins M. O. AIREBO-M: A reactive model for hydrocarbons at extreme pressures // J. Chem. Phys. 2015. V. 142. № 000. P. 1-9.
9. , Слепченков исследование распределения локальных напряжений графеновой наноленты // Нано - и микросистемная техника. 2011. № 7. С. 2-4.
Сведения об авторах
– д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики, г.
– студент, г.
– к. ф.-м. н., доцент кафедры радиотехники и электродинамики, г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)
