Теория изгиба мембран Хелфриха, подкреплённая моделированием молекулярной динамики, представляет собой многообещающий метод оценки механических свойств графеновых нанолистов, сообщают исследователи из Токийского института науки. Этот гибридный подход позволяет напрямую оценивать жёсткость изгиба графеновых нанолистов даже при наличии дефектов решётки, не прибегая к экспериментальным испытаниям, и даёт ценную информацию для разработки новых двумерных материалов с заданными механическими свойствами.
Графеновые нанолисты (ГС) — это двумерные (2D) наноуглеродные материалы, известные своей замечательной гибкостью, исключительной механической прочностью и способностью принимать различные формы. В частности, путём введения 5- или 7-членных колец в гексагональные ГС можно сформировать конические или седловидные формы.
Представьте себе гексагональный лист бумаги, разделённый на шесть равносторонних треугольников. Удаление одного треугольника создаёт 5-членное кольцо, которое при сгибании образует конус, а добавление треугольника формирует 7-членное кольцо, создавая седловидную форму. Эти кольцевые структуры являются дефектами решётки ротационного типа, известными как дислокации.
Дислокации используются для разработки различных материалов на основе ГС. Например, волнообразные ГС, называемые яичным графеном, которые имеют периодические 5- или 7-членные кольца, известны своей ударопрочностью. ГС с 7-членными кольцами обещают использоваться в качестве нанопружин. Эти дефекты решётки оказывают значительное влияние на локальную кривизну и механические свойства ГС, особенно на их жёсткость изгиба.
Хотя жёсткость изгиба плоских ГС хорошо изучена, жёсткость ГС с дислокациями остаётся малоизученной из-за вариативности, вносимой деформациями, что затрудняет проведение точных измерений.
Для устранения этого пробела исследовательская группа под руководством доцента Сяо-Вэнь Лэй из Школы материаловедения и химической технологии Токийского института науки (Science Tokyo), Япония, разработала новый подход.
«Мы разработали новый гибридный подход, сочетающий моделирование молекулярной динамики с теорией изгиба мембран Хелфриха», — объясняет Лэй. «Этот метод позволяет напрямую оценивать жёсткость изгиба ГС с дефектами решётки непосредственно из атомных конфигураций без необходимости экспериментальных испытаний».
В команду входили аспирант Юши Кунихиро и профессор Тошиюки Фудзи из Science Tokyo, а также доцент Такаси Унеяма из Нагойского университета. Их исследование было опубликовано в журнале Nanoscale.
Теория изгиба мембран Хелфриха описывает изгиб вне плоскости двумерных материалов, моделируя их кривизну с помощью энергетических соображений. Хотя первоначально она была разработана для анализа липидных бислоёв биологических клеток, эта теория также применима к ГС из-за геометрического и механического сходства. Однако аналитическое решение этой теории чрезвычайно сложно. Для упрощения анализа исследователи применили моделирование молекулярной динамики.
Используя этот подход, команда проанализировала четыре типа аналитических моделей ГС с дислокациями: положительные монопольные дислокации (5-членные кольца), отрицательные монопольные дислокации (7-членные кольца) и соединённые и разделённые дипольные дислокации, которые объединяют монопольные дислокации. В соединённых диполях положительные и отрицательные дислокации размещены вместе, а в разделённых диполях они расположены на разных расстояниях друг от друга.
Рассчитанные значения жёсткости изгиба находились в разумном диапазоне, о котором сообщалось в предыдущих исследованиях, что подчёркивает обоснованность подхода. Более того, результаты впервые выявили различия в тенденциях между ГС с монополями и диполями. Дипольные дислокации показали аналогичную жёсткость изгиба после исключения нелинейных эффектов.
Для диполей сочетание конических и седловидных поверхностей приводило к локальному изменению формы с соответствующим локальным изменением жёсткости изгиба. Кроме того, по мере увеличения расстояния между дислокациями жёсткость изгиба стремится к стабильному значению, что подчёркивает важность плотности дефектов решётки.
«Наши результаты не только предлагают основу для понимания механических свойств ГС с дефектами решётки, но и дают представление о разработке новых ГС с заданной жёсткостью изгиба и механическими свойствами», — отмечает Лэй.
В целом, это исследование ускорит разработку новых материалов на основе ГС, таких как нанопружины и ударопрочные графеновые структуры, что приведёт к созданию передовых двумерных материалов.
Предоставлено Токийским институтом науки.