ヒドロキシル基を介したカーボンナノチューブのスライドロール運動モードの調整

背景

ナノ電気機械システム（NEMS）およびナノロボットの運動挙動の制御は、表面および界面の影響により、複雑で困難な問題です。自然、合成、物理、およびその他のエネルギー源の刺激は、ナノモーターおよびマイクロモーターの機械的運動を制御することができます[1]。たとえば、非極性ナノカーを一方向に駆動し[2]、四輪分子を外部電場の助けを借りて方向に駆動し[3]、分子ナノカーを方向に熱的に駆動することができます[4]。

カーボンナノチューブは、その優れた電気的、機械的、および熱的特性のために、NEMSで重要な役割を果たします。ナノギア[5]、ナノモーター[6、7]、ナノベアリング[8、9]、ナノスケール電気機械アクチュエータ[10]などのカーボンナノチューブに基づくナノデバイスが設計されています。ただし、これらのナノデバイスの動きを調整することはまだ未解決の問題です。研究文書は、同軸ナノチューブを作動させるために温度勾配が使用されたことを報告しました[11]。一方、研究者らは、界面間の釣り合いまたは不調和状態[12]、カーボンナノチューブの変形[13、14、15]、および水素などの導入された基を含む、カーボンナノチューブの運動挙動に影響を与える可能性のある要因を研究しました。モーターの端[16]。これらの要因の中で、カーボンナノチューブに官能基を導入することは比較的簡単に達成できます。研究者は、表面フッ素化カーボンナノチューブ[17]、異なる官能基を持つ酸化グラフェン層[18]、および水素化グラフェン[19、20]の運動および摩擦特性を研究しました。しかし、カーボンナノチューブの運動挙動に及ぼす導入されたヒドロキシル基の影響はこれまで報告されていません。この論文は、ヒドロキシル基の導入がカーボンナノチューブのローリングまたはスライド挙動を調整できることを示しています。私たちの研究は、ラックアンドピニオンナノギアなどのカーボンナノチューブに基づく高度な分子機械システムの方向制御された運動に光を当てる可能性があります。さらに、大きな可能性を秘めているナノスクロールなどの他の円筒形ナノ材料[21]の場合、結果はそれらの運動を制御するための可能な方法も提供します。

メソッド

シミュレーションモデルは、単層カーボンナノチューブ（10,10）（SWCNT）とSi基板で構成されています。図1に示すように、3つの異なる構造が考慮されます。モデルaは、水平に配向したカーボンナノチューブとSi基板を含む理想的なシミュレーションモデル（図1a）です。モデルbは、カーボンナノチューブとヒドロキシル基で覆われたSi基板で構成されています（図1b）。モデルcもカーボンナノチューブとSi基板で構成されていますが、両方の部分が表面のヒドロキシル基で覆われています（図1c）。 Ｓｉ基板上のヒドロキシル基の含有量は、Ｓｉ基板の表面上のＳｉ原子の数に対するヒドロキシル基の数の比を指す。 x では、Si（0 0 1）基板の寸法は8.01nmです。 方向と y の7.98nm 方向。 Si基板は5400個のSi原子で構成されています。

シミュレーションモデル。 a 理想。 b ヒドロキシル基で覆われたSi基板。 c カーボンナノチューブとSi基板は両方ともヒドロキシル基で覆われています

AIREBOポテンシャル[22]とTERSOFFポテンシャル[23]は、それぞれカーボンナノチューブ内のC原子間の相互作用と基板内のSi原子間の相互作用を説明するために適用されます。 O原子はAIREBOポテンシャルでは考慮されないため、OPLS力場を使用してSi基板のSi–O–HとカーボンナノチューブのC–O–Hを記述します[24、25、26、27]。モデルcの界面間の水素結合は、DREIDING力場によって計算されます[28]。カーボンナノチューブとSi基板の間のファンデルワールス力は、クラシック12-6レナードジョーンズ（L-J）ポテンシャルによって説明されます[29]。 C、H、およびOのパラメーターは文献[25]にあり、Siのパラメーターは文献[28]にあります。ここで紹介するカーボンナノチューブの動きは、大規模原子/分子質量並列シミュレーター（LAMMPS）[30]によってシミュレートされています。すべてのシミュレーションは、正準集団（NVT）で実行されます。システム温度は300Kです。モデルaでNosé-HooverサーモスタットとLangevinサーモスタットを使用した結果を比較すると、Langevinサーモスタットがカーボンナノチューブの動きにほぼ影響を与え、システムが平衡に到達しやすくなっていることがわかります。そのため、シミュレーションではランゲビンサーモスタットを採用しています。 Langevinサーモスタットの減衰係数 t _r 、ランジュバン方程式のランダムな力からの寄与を参照し、すべての場合で0.1psに設定されています[31]。 Siウェーハをシミュレートするために、Si基板の最下層の原子が固定されています。周期境界条件は x に沿って適用されます および y 方向。 y でカーボンナノチューブとSi基板に同じ周期境界を適用する 方向、Si基板は y に沿って1.90％圧縮されます 方向、それは小さいです。したがって、カーボンナノチューブの動きへの影響は無視できます。動的方程式の数値積分は、0.001psの時間ステップでVelocity-Verletアルゴリズムによって実行されます。シミュレーションプロセスは次のとおりです。まず、シミュレーションシステムの構造がエネルギー最小化によって最適化されます。次に、システムが平衡に達することを保証するために、緩和が100ps実行されます。最後に、 x に沿ったカーボンナノチューブへの一定の速度または一定の力 方向は、Si基板上を移動するように設定されます。 x に沿った一定速度 方向は、カーボンナノチューブの中心の横力をゼロに設定することによって行われます。

結果と考察

まず、 x のカーボンナノチューブに一定の並進速度10m / sを設定しました。 方向。モデルaとbの両方で、カーボンナノチューブは基板上をスライドします。ただし、カーボンナノチューブとSi基板の両方がヒドロキシル基で覆われているモデルcではローリングが発生します。カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が両方とも10％の場合、カーボンナノチューブは、わずかな滑りを伴ってSi基板上を転がります（追加ファイル1：ムービーS1）。さらに、カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率がそれぞれ10％と20％の場合、シミュレーション時間中、カーボンナノチューブはSi基板上を転がり続けます（追加ファイル2：ムービーS2）。図2aは、カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率がそれぞれ10％と20％の場合の、カーボンナノチューブ上のC原子の3次元運動軌跡を示しています。カーボンナノチューブは明らかにその形状を変えないので、C原子の動きはカーボンナノチューブの動きを表しています。 z でのカーボンナノチューブの座標 方向は明らかに上下に移動し、 z の最大値 変位は約1.3nmで、これはSWCNTの直径（10,10）1.38nmに相当します。結果は、ローリングの動きを示しています。カーボンナノチューブは x で約10.8nm移動します 方向。 x では一定速度10m / sであるため 方向がカーボンナノチューブに適用され、カーボンナノチューブが x で9.5nm移動します。 950psのモーションプロセス中の方向。したがって、 x の余分な移動距離 方向は1.3nmです。この値は、z変位の最大値に等しく、モーションでローリングが支配的であることを示します。その上、 y のわずかなスライド 方向も発生します。この理由は、ヒドロキシル基のランダムな分布によるカーボンナノチューブの軸方向に沿った不均衡な力に起因する可能性があります。これにより、カーボンナノチューブは y に沿ってスライドします。 方向。同様の現象は、別の研究[31]で見つけることができます。カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が5％と5％、5％と10％に変化すると、カーボンナノチューブの動きが異なります。図2bは、 z 内のC原子の位置を示しています。 カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率がそれぞれ5％/ 5％、5％/ 10％、10％/ 10％、10％/ 20％の場合の方向。ヒドロキシル基の比率が5％/ 5％と5％/ 10％の場合、スライドが主な動きであり、わずかなローリングが伴います。ヒドロキシル基の比率が5％/ 5％の場合、カーボンナノチューブはわずかなローリングを伴って約500 psスライドし、次に約500psローリングします。ヒドロキシル基の比率が5％/ 10％の場合、カーボンナノチューブはわずかに転がりながら約500 psスライドし、その後スライドし続けます。

a カーボンナノチューブ上のC原子の3次元運動軌道。カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率はそれぞれ10％と20％です。 b z のカーボンナノチューブ上のC原子の座標 時間の関数としての方向。カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率は、それぞれ5％/ 5％、5％/ 10％、10％/ 10％、10％/ 20％です

追加ファイル1：映画S1 。 （AVI 4439 kb）

追加ファイル2：映画S2 。 （AVI 4929 kb）

SWCNTの運動挙動は界面ポテンシャル障壁の影響を受けるため、ヒドロキシル基による運動モードの変化のメカニズムを確立するために、さまざまな条件下での界面ポテンシャルエネルギーを調べます[15]。モデルaおよびcのカーボンナノチューブとSi基板間の界面ポテンシャルエネルギーを図3a、bに示します。これは、カーボンナノチューブを基板上で x > および y それぞれ、リラクゼーション後の方向。モデルcでは、カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が10％/ 20％の場合が選択されています。これは、カーボンナノチューブがこの条件下で転がり続けるためです。理想的なモデルaでは、カーボンナノチューブとSi基板の間の状態が不整合であるため、界面間の位置エネルギーの分布は均一です。その結果、カーボンナノチューブは基板上をスライドします。ただし、モデルcでは、界面間のヒドロキシル基の相互作用により、界面の位置エネルギーが大幅に変化します。局所的なポテンシャル障壁のピークは10 ⁷ のオーダーにさえ達します eV。ヒドロキシル基のランダムな分布は、高ポテンシャル障壁の均一な分布を引き起こします。したがって、カーボンナノチューブはポテンシャル障壁を直接通過することができず、結果として、界面ポテンシャル障壁を低減するために転がります。ヒドロキシル基がランダムに分布しているため、ポテンシャル障壁が表面全体を覆っているため、カーボンナノチューブは x に沿って転がり続けます。 方向。カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が5％/ 5％、5％/ 10％、10％/ 10％の場合は、ヒドロキシル基の場合よりもポテンシャル障壁が比較的低くなります。 '比率は10％/ 20％です。その理由は、界面のヒドロキシル基が少ないと相互作用が弱くなるためです。カーボンナノチューブの運動エネルギーがバリアよりも高い場合、それはスライドします。そうでなければ、カーボンナノチューブは転がり始めます。

a 、 b カーボンナノチューブとSi基板間の界面ポテンシャルエネルギー。 a 理想的なモデル。 b カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率は10％/ 20％です。 c 6つの場合のカーボンナノチューブの平均摩擦。挿入図は、モデルa、b、およびcの3つのケースでのカーボンナノチューブの経時的な摩擦を示しています。モデルbとcのカーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率は、それぞれ0/10％と10％/ 10％です。 d c の6つのケースの平均水素結合数

界面へのヒドロキシル基の導入は、カーボンナノチューブの運動だけでなく、界面間の摩擦にも影響を及ぼします。図3cは、カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が0 / 0、0 / 10％、5％/ 5％、5％/ 10％、10％である6つの場合のカーボンナノチューブの平均摩擦を示しています。それぞれ/ 10％、10％/ 20％。結果は、平均摩擦がヒドロキシル基の比率とともに大幅に増加することを示しています。モデルaとbでは、平均摩擦力はほぼゼロです。ヒドロキシル基の導入により表面粗さが増加するため、モデルbの平均摩擦は理想的なモデルaの平均摩擦よりも大きくなります。図3cの挿入図は、モデルbの横力の変動がモデルaの変動よりも大きいことを示しています。モデルcでは、カーボンナノチューブとSi基板の両方がグラフト化されたヒドロキシル基であるため、横力の変動と平均摩擦はモデルaとbの場合よりも大幅に大きくなります。ヒドロキシル基の比率が10％/ 20％の場合、平均摩擦は約2.19nNに増加します。

摩擦と運動挙動のメカニズムのより深い洞察のために、我々は運動中の化学結合を研究しました。界面のヒドロキシル基間に水素結合が形成されることを観察します。これら6つの場合の対応する平均水素結合数を図3dに示します。水素結合数の増加は、ヒドロキシル基の比率の増加に伴うポテンシャル障壁と摩擦の増加につながります。これは、水素結合が摩擦に大きな影響を与えたという内容です[32]。

カーボンナノチューブの運動挙動は、界面間のヒドロキシル基だけでなく、カーボンナノチューブの速度によっても影響を受けます。特に、界面のヒドロキシル基の数が少ないために界面ポテンシャル障壁が比較的低い場合はそうです。カーボンナノチューブの速度が20、50、70 m / sの場合、図4aは z のC原子の座標を示しています。 カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が5％/ 5％のときの方向。 20 m / sの速度では、カーボンナノチューブの動きはローリングが支配的です。 50 m / sの速度で、カーボンナノチューブは x で50nm移動します 方向と1ラウンドのロール、つまりスライドとローリングが交互に発生します。 70 m / sの速度では、カーボンナノチューブは主に基板上をスライドし、わずかに回転します。その理由は、表面間に導入されたヒドロキシル基がカーボンナノチューブの動きを調整できることと似ています。界面障壁が比較的低いため、カーボンナノチューブの運動エネルギーが大きい場合、カーボンナノチューブは直接それを通過します。しかし、運動エネルギーが低い場合、カーボンナノチューブは転がって界面障壁を下げる傾向があります。また、ヒドロキシル基の比率が5％/ 5％の場合のカーボンナノチューブの速度に対する平均摩擦力の曲線を図4bに示します。摩擦は速度とともに減少します。これは他の研究者の実験的研究と一致しています[32]。

a z のカーボンナノチューブ上のC原子の座標 カーボンナノチューブが20、50、および70 m / sの速度で移動するときの時間の関数としての方向。 b カーボンナノチューブの速度による平均摩擦力の曲線。 c z のカーボンナノチューブ上のC原子の座標 カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が5％/ 10％の場合の方向。カーボンナノチューブに加えられる一定の外力は、 x で0.000625nNです。 方向

x のカーボンナノチューブに一定の外力を加えると、同様の結果が得られます。 方向。一方では、外力が大きい場合、カーボンナノチューブは基板上をスライドするだけです。一方、力が小さすぎると、カーボンナノチューブは動きません。その結果、0.000625nNの一定の外力の下でロールスライド遷移が発生します。図4cは、 z のカーボンナノチューブ上のC原子の座標を示しています。 カーボンナノチューブとSi基板のヒドロキシル基の比率が5％/ 10％のときの方向。結果は、 z のC原子の座標を示しています。 方向は最初の段階で明らかに増加します。これはローリングモードを示します。次に、 z の座標 後の段階では方向はあまり変化しません。つまり、モーションではスライディングモードが支配的です。その理由は、カーボンナノチューブの運動エネルギーが最初は小さく、界面の障壁を直接克服することができず、結果としてローリングが発生するためです。カーボンナノチューブの運動エネルギーの増加に伴い、その運動挙動はロールからスライドに変化します。

さらに、カーボンナノチューブの運動挙動に対するキラル角度、直径、および長さの影響を調査します。まず、SWCNT（11,9）、SWCNT（12,8）、SWCNT（13,7）、SWCNT（14,6）、SWCNT（15,0）の5つの構成を使用してカイラル角効果を調べます。角度はさまざまですが、直径はほぼ同じです。結果は、それらの運動挙動がSWCNTのそれと同じであることを示し（10,10）、グラフトされたヒドロキシルカーボンナノチューブの運動挙動に対するキラル角の影響を無視できることを示しています。次に、直径の影響を調べるために、SWCNT（7,7）、SWCNT（15,15）、SWCNT（20,20）、およびSWCNT（25,25）を選択します。モデルaとbの結果は、SWCNTの結果と同様です（10,10）。ただし、モデルcでは、結果はSWCNTの結果とは異なります（10,10）。 SWCNT（15,15）、SWCNT（20,20）、SWCNT（25,25）の運動モードが連続圧延に変化した場合、ヒドロキシル基の比率は10％/ 25％、15％/ 30％、それぞれ20％/ 30％。直径が大きいほど、モーションモードが変化したときのヒドロキシル基の比率が高くなります。その理由は、インターフェースの接触面積の変化に起因する可能性があります。インターフェース構造は、図5に示すように、SWCNT（15,15）、SWCNT（20,20）、およびSWCNT（25,25）のすべての下部にプラットフォームがあることを示しています。これにより、摩擦が大きくなり、ロール。ヒドロキシル基の比率が高いほど、界面相互作用が強くなり、最終的にローリングが発生します。 SWCNT（7,7）とSWCNT（10,10）はどちらも底部にプラットフォームがないため、SWCNT（7,7）の運動挙動はSWCNT（10,10）とほぼ同じです。最後に、SWCNTの長さを変更することにより、モーションに対する長さの影響を調べます（10,10）。 21.7、54.3、および81.4nmの3つの長さが明示的に精査されます。長さ21.7nmのSWCNT（10,10）の運動挙動は、初期モデルcと一致していることがわかります。ただし、長さが54.3および81.4 nmの場合、長さと直径のアスペクト比が大きいため、圧延プロセス中にわずかな曲げ変形が見られます。

Si基板上のカーボンナノチューブの構造。 a SWCNT（15,15）。 b SWCNT（20,20）。 c SWCNT（25,25）