Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)

Для цитирования:

Колесникова А. С. Исследование механических свойств углеродных молекулярных структур в виде многослойного графена с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21, вып. 4. С. 489-502. DOI: 10.18500/1816-9791-2021-21-4-489-502, EDN: PZQEFX

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2021
Полный текст:
скачать
(downloads: 815)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Механика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
517.98
DOI: 
10.18500/1816-9791-2021-21-4-489-502
EDN: 
PZQEFX

Исследование механических свойств углеродных молекулярных структур в виде многослойного графена с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками

Авторы: 
Колесникова Анна Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

В данной работе осуществлялось теоретическое исследование модуля Юнга углеродных молекулярных структур в виде многослойного графена с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками (ВО-УНТ). Углеродные нанотрубки, входящие в состав молекулярных структур, были двух типов (zigzag и armchair). Исследования проводились молекулярно-механическим методом с энергетическим потенциалом AIREBO. Установлено, что модуль Юнга больше для молекулярных структур, в которых УНТ разного типа располагаются вдоль края zigzag графенового листа. Показано, что модуль Юнга молекулярной структуры с ВО-УНТ на графене, содержащей нанотрубки zigzag и armchair, больше, чем модуль Юнга молекулярной структуры с ВО-УНТ на графене, содержащей только zigzag УНТ. Данные результаты могут быть использованы при конструировании электромеханических устройств, включающих в качестве элементной базы молекулярную структуру с ВО-УНТ на графене.

Ключевые слова: 
вертикально ориентированные углеродные нанотрубки на графене
эффективный модуль Юнга
алгоритм расчета
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Президентской стипендии 2019–2021 (проект № СП-310.2019.1).
Список источников: 
  1. Dong P., Pint C. L., Hainey M., Mirri F., Zhan Y., Zhang J., Pasquali M., Hauge R. H., Verduzco R., Jiang M. Vertically aligned single-walled carbon nanotubes as low-cost and high electrocatalytic counter electrode for dye-sensitized solar cells // ACS Applied Materials & Interfaces. 2011. Vol. 3, № 8. P. 3157–3161. https://doi.org/10.1021/am200659y
  2. Rolison D. R., Long J. W., Lytle J. C., Fischer A. E., Rhodes C. P., McEvoy T. M., Bourg M. E., Lubers A. M. Multifunctional 3D nanoarchitectures for energy storage and conversion // Chemical Society Reviews. 2009. Vol. 38, iss. 1. P. 226–252. https://doi.org/10.1039/B801151F
  3. Chen Z., Ren W., Gao L., Liu B., Pei S., Cheng H.-M. Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition // Nature Materials. 2011. Vol. 10. P. 424–428. https://doi.org/10.1038/nmat3001
  4. Jiang H., Lee P. S., Li C. 3D carbon based nanostructures for advanced supercapacitors // Energy & Environmental Science. 2013. Vol. 6, iss. 1. P. 41–53. https://doi.org/10.1039/C2EE23284G
  5. Nagelli E. A., Huang L., Dai A. Q.-Z., Du F., Dai L. 3D vertically aligned CNT/graphene hybrids from layer-by-layer transfer for supercapacitors // Particle & Particle Systems Characterization. 2017. Vol. 34, iss. 9. Special Issue: Graphene Oxide Liquid Crystals 1700131. P. 1–5. https://doi.org/10.1002/ppsc.201700131
  6. Wang D. W., Li F., Liu M., Lu G. Q., Cheng H.-M. 3D aperiodic hierarchical porous graphitic carbon material for high-rate electrochemical capacitive energy storage // Angewandte Chemie. 2007. Vol. 47, iss. 2. P. 373–376. https://doi.org/10.1002/anie.200702721
  7. Lee D. H., Lee J. A., Lee W. J., Kim S. O. Flexible field emission of nitrogen-doped carbon nanotubes/reduced graphene hybrid films // Small. 2011. Vol. 7, iss. 1. P. 95–100. https://doi.org/10.1002/smll.201001168
  8. Xu Y., Chen C.-Y., Zhao Z., Lin Z., Lee C., Xu X., Wang C., Huang Y., Shakir M. I., Duan X. Solution processable holey graphene oxide and its derived macrostructures for high-performance supercapacitors // Nano Letters. 2015. Vol. 15, iss. 7. P. 4605–4610. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01212
  9. Moradia M., Mohandesi J. A. Mechanical behavior of carbon nanotube and graphene junction as a building block for 3D carbon nanostructures // AIP Advances. 2015. Vol. 5. P. 117143-1–117143-12. https://doi.org/10.1063/1.4936560
  10. Колесникова А. С., Баранов И. А., Мазепа М. М. Модуль Юнга композита zigzag УНТ/графен при растяжении вдоль оси графена // Физика твердого тела. 2020. Т. 62, вып. 10. С. 1686–1689. https://doi.org/10.21883/FTT.2020.10.49920.109
  11. Dong P., Zhu Y., Zhang J., Hao F., Wu J., Lei S., Lin H., Hauge R. H., Tour J. M., Lou J. Vertically aligned carbon nanotubes/graphene hybrid electrode as a TCO- and PT-free flexible cathode for application in solar cells // Journal of Materials Chemistry A. 2014. Vol. 2, iss. 48. P. 20902–20907. https://doi.org/10.1039/C4TA05264A
  12. Das S., Seelaboyina R., Verma V., Lahiri I., Hwang J. Y., Banerjeeb R., Choi W. Synthesis and characterization of self-organized multilayered graphene-carbon nanotube hybrid films // Journal of Materials Chemistry. 2011. Vol. 21, iss. 20. P. 7289–7295. https://doi.org/10.1039/C1JM10316D
  13. Lee D. H., Kim J. E., Han T. H., Hwang J. W., Jeon S., Choi S. Y., Hong S. H., Lee W. J., Ruoff R. S., Kim S. O. Versatile carbon hybrid films composed of vertical carbon nanotubes grown on mechanically compliant graphene films // Advanced Materials. 2010. Vol. 22, iss. 11. P. 1247–1252. https://doi.org/10.1002/adma.200903063
  14. Kim N. D., Li Y., Wang G., Fan X., Jiang J., Li L., Ji Y., Ruan G., Hauge R. H., Tour J. M. Growth and transfer of seamless 3D graphene-nanotube hybrids // Nano Letters. 2016. Vol. 16, iss. 2. P. 1287–1292. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04627
  15. Jousseaume V., Cuzzocrea J., Bernier N., Renard V. T. Few graphene layers/carbon nanotube composites grown at complementary-metal-oxide-semiconductor compatible temperature // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 98, iss. 12. P. 123103-1–123103-3. https://doi.org/10.1063/1.3569142
  16. Stuart S. J., Tutein A. B., Harrison J. A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // The Journal of Chemical Physics. 2000. Vol. 112, iss. 14. P. 6472–6486. https://doi.org/10.1063/1.481208
  17. Глухова О. Е., Колесникова А. С. Эмпирическое моделирование продольного растяжения и сжатия графеновых наночастиц и нанолент // Физика твердого тела. 2011. Т. 53, № 9. С. 1855–1860.
  18. Xu Z., Qiu L., Ding F. The kinetics of chirality assignment in catalytic single-walled carbon nanotube growth and the routes towards selective growth // Chemical Science. 2018. Vol. 9. P. 3056–3061. https://doi.org/10.1039/C7SC04714B
  19. Fang T. H., Chang W. J., Fan Y. C., Sun W. L. Molecular dynamics study of the tensile behavior of pillared graphene nanostructures // Japanese Journal of Applied Physics. 2016. Vol. 55, № 4. P. 040301. https://doi.org/10.7567/jjap.55.040301
  20. Wang Y., Zhu Y., Wang F., Liu X., Wu H. Super-elasticity and deformation mechanism of three-dimensional pillared graphene network structures // Carbon. 2017. Vol. 118. P. 588–596. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.092
  21. Qin L. C., Zhao X., Hirahara K., Miyamoto Y., Ando Y., Iijima S. The smallest carbon nanotube // Nature. 2000. Vol. 408. P. 50. https://doi.org/10.1038/35040699
  22. Колесникова А. С., Мазепа М. М. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона двумерно протяженного колонного графена // Физика твердого тела. 2018. Т. 60, № 9. С. 1781–1784. https://dx.doi.org/10.21883/FTT.2018.09.46397.041
  23. Song L., Guo Z., Chai G. B., Wang Z., Li Y., Luan Y. A finite element method to investigate the elastic properties of pillared graphene sheet under different conditions // Carbon. 2018. Vol. 140. P. 210–217. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.08.058
  24. Kolesnikova A. S., Mazepa M. M., Kirillova I. V., Kossovich L. Yu. Water purification using the pillared graphene owning the most mechanical strength // Proceedings SPIE 10893, Reporters, Markers, Dyes, Nanoparticles, and Molecular Probes for Biomedical Applications XI. 2019. Vol. 108930T. P. 108930T-1. https://doi.org/10.1117/12.2508795
Поступила в редакцию: 
30.04.2021
Принята к публикации: 
21.06.2021
Опубликована: 
30.11.2021
  • 1290 просмотров