Dinâmica molecular clássica aplicada ao estudo das propriedades térmicas e mecânicas de nanotubos baseados em carbono

Abstract

Os nanomateriais bidimensionais (2D) estão na vanguarda dos potenciais avanços tecnológicos. Os materiais à base de carbono têm sido extensivamente estudados desde a síntese do grafeno, que revelou propriedades de grande interesse para novas aplicações em diversos domínios científicos e tecnológicos. Novos alótropos de carbono continuam a ser explorados teoricamente, com vários processos de síntese bem-sucedidos para materiais à base de carbono recentemente alcançados. Neste contexto, usamos simulações de Dinâmica Molecular (MD) com o Campo de Força Reativo (ReaxFF) para nos aprofundarmos nas propriedades termomecânicas e padrões de fratura de nanotubos à base de bifenileno (BPN-NTs) exibindo quiralidades armchair (AC-BPN-NT) e ziguezague (ZZ-BPN-NT). Em seguida, investigamos as propriedades mecânicas e térmicas de monocamadas e nanotubos baseados em DHQ, um alótropo de carbono caracterizado por anéis de carbono de 4, 6 e 10 membros, com uma rota de síntese potencial usando naftaleno como um precursor molecular. Ao longo do processo de deformação longitudinal dos BPN-NTs, observamos transformações morfológicas significativas precedendo a fratura estrutural do sistema. Essas transformações se desdobraram em fases inelásticas distintas. Em ambos os casos, AC- e ZZ-BPN-NT, o acúmulo de tensão em anéis de quatro membros levou à criação de estruturas octogonais; no entanto, em AC, isso ocorre na região de fratura, causando subsequentemente a presença de nanoporos. Por outro lado, para ZZ-BPN-NT, o acúmulo de tensões nos anéis retangulares ocorreu em ligações paralelas à deformação, com estruturas octogonais alongadas. O módulo de Young desses nanotubos variou de 746 a 1259 GPa, com um ponto de fusão em torno de 4000 K. Nossos resultados também exploram a influência do diâmetro e da curvatura, traçando comparações com monocamadas de BPN. Quanto ao DHQ, um potencial interatômico aprendido por máquina (MLIP) foi desenvolvido para explorar o comportamento mecânico e térmico deste nanomaterial em escalas maiores do que aquelas acessíveis por meio de cálculos de primeiros princípios. O MLIP foi treinado em dados derivados da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) usando dinâmica molecular ab initio (AIMD). Simulações de Dinâmica Molecular Clássica (CMD), empregando o MLIP treinado, revelaram que o módulo de Young de nanotubos baseados em DHQ varia de 127 a 243 N/m, dependendo da quiralidade e do diâmetro, com fratura ocorrendo em tensões entre 13,6% e 17,4% do comprimento inicial. Em relação à resposta térmica, uma temperatura crítica de 2200 K foi identificada, marcando o início de uma transição para uma fase amorfa em temperaturas mais altas.