ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 44-48
УДК 538.971
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМАРНОГО ПОТОКА ЧАСТИЦ В УГЛЕРОДНОЙ НАНОТРУБКЕ
© 2015 г. И. В. Лысова, А. Н. Михайлов*
Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева,
428000 Чебоксары, Россия *Е-таИ: michailov88@mail.ru Поступила в редакцию 16.08.2014 г.
В работе рассматриваются энергетические характеристики однородного потока частиц, каналирую-щего внутри одностенных углеродных нанотрубок трех типов: (10,10), (10,0) и (11,9). Определены потери энергии атомов при каналировании в одностенных углеродных нанотрубках с различной геометрией. Построены гистограммы распределения атомов по скоростям во всех рассматриваемых случаях. В ходе компьютерного эксперимента был обнаружен эффект деформации трубки, возникающей после продолжительного каналирования потока атомов. Все расчеты проведены методом молекулярной динамики в пакете ЬАММРЗ с использованием многочастичного потенциала ЯеахРР
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, каналирование, молекулярная динамика. БО1: 10.7868/80207352815040137
ВВЕДЕНИЕ
Различные типы нанотрубок являются объектом будущих технологий. Предрекают использование нанотрубок в качестве сверхчувствительных газовых датчиков, использование их в создании будущих топливных элементов и применение в фильтрующих установках. В современных работах по взаимодействию частиц с одностенными углеродными нанотрубками (ОСУНТ) в основном рассматривается каналирование ионов и протонов, а также заполнение нанотрубок метаном и водородом [1, 2]. В данной работе проведены расчеты по каналированию потока частиц из атомов водорода и кислорода в ОСУНТ (10,10), (10,0) и (11,9). В работе выполнено исследование транспортных свойств ОСУНТ и проведены расчеты энергетических характеристик при канали-ровании атомов. В ходе эксперимента также был обнаружен эффект закупорки канала из-за взаимодействия каналирующих атомов с атомами на-нотрубки.
МОДЕЛЬ
Для моделирования процесса каналирования атомов внутри ОСУНТ используется метод молекулярной динамики, реализованный в программе ЬАММР8 [3]. В качестве потенциала, описывающего взаимодействия всех типов атомов, используется ЯеахРР [4, 5], который обеспечивает точный расчет физического и химического поведения атомов в ОСУНТ. В течение всего процесса каналирования температура ОСУНТ поддерживалась равной 300 К. Одностенная углеродная на-нотрубка находится в периодических условиях. В
начальный момент времени 100 атомов с энергией 5 эВ каждый равномерно распределены внутри области ОСУНТ радиусом 0.3Я , длиною около 60 нм, с направлением скорости вдоль оси трубки. У некоторой части атомов появляется дополнительная энергия, связанная с конфигурацией начального расположения атомов относительно стенок ОСУНТ (рис. 1).
Рассматриваемое время каналирования 6 пс. Шаг при моделировании для каждой итерации был взят равным 0.1 фс.
Для описания потенциального взаимодействия атомов использовался потенциал ЯеахРР с учетом поляризации, способный обрабатывать тысячи атомов с квантово-химической точностью на длительном временном масштабе до нескольких наносекунд. Полная энергия взаимодействия между атомами в таком случае описывается следующим образом:
Е = Е + Е + Е +
-^полная -^тип связи 1 -^кратность связи 1 -^угловая 1
+ Е + Е + Е
1 -^торсионная 1 -^ван-дер-ваальсова 1 -^кулоновская'
где Етип связи — энергия, зависящая от типа связи между атомами, Екратность связи — энергия, зависящая от кратности связи атома, обычно максимальное значение кратности рассматривают не больше четырех. При подсчете Еугловая выбирается такое ее значение, чтобы был получен равновесный угол между связями. Для учета несвязанных атомов в потенциале ЯеахРР учитываются известные ван-дер-ваальсово и кулоновское взаимодействия.
На рис. 2 и 3 представлены графики зависимости потенциальной энергии взаимодействия ато-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМАРНОГО ПОТОКА ЧАСТИЦ
45
(а)
(б)
0
40] 600
Рис. 1. Визуализация положения атомов внутри УНТ (10,0) в различные моменты времени: а — первоначальное положение атомов; б — через 2 фс. Атомы сосредоточились у оси нанотрубки после отталкивания от стенок УНТ
мов от межатомного расстояния для различных типов связи.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Компьютерный эксперимент завершался после значительной деформации ОСУНТ, что происходит за время около 6 пс. Рассматриваемые типы трубок были подобраны так, чтобы сравнить распределение по скоростям для атомов в трубках с похожими и различными по диаметру каналами. На рис. 4 и 5 показано изменение средней скорости, соответственно, для атомов водо-
рода и кислорода при каналировании в ОСУНТ с хиральностями (10,10), (10,0) и (11,9). Начальная энергия для всех типов атомов задана одинаковой и равной 5 эВ. Соответствующая скорость атомов водорода равна 0.309 А/фс, скорость атомов кислорода равна 0.077 А/фс. В трубке с меньшим диаметром (10,0) скорость падает быстрее, нежели в трубках с большим диаметром. Хиральная ОСУНТ (11,9) обладает свойством сохранять скорость более тяжелых атомов (кислорода).
На рис. 6 и 7 представлены гистограммы распределения по скоростям для атомов водорода и на рис. 8 и 9 — для атомов кислорода в различные
«
т
«
т
15
10
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Межатомное расстояние, А
8 1 £ я 15
т с
=к
е ч о м и а
т <ч
я и
1-4
р
е н
т
я а н
л Ч
а и Я н те
о П
10
-5 -
1.0 1.5 2.0 2.5 Межатомное расстояние, А
5
0
Рис. 2. График зависимости потенциальной энергии взаимодействия атомов углерода с атомами углерода (О), водорода (Л) и кислорода (□) от межатомного расстояния для различных типов связи.
Рис. 3. График зависимости потенциальной энергии взаимодействия атомов водорода друг с другом (□) и атомов кислорода друг с другом (О) от межатомного расстояния.
46
0.4
0.3
с ф
т с
о р
о к
О
0.1
0 и
ЛЫСОВА, МИХАИЛОВ
0.10
0.08
0 2 4 6 8
Время, пс
Рис. 4. Изменение средней скорости атомов водорода при каналировании в УНТ с различными хирально-стями: (10,0) (О); (11,9) (□); (10,10) (Л).
0 ь
0 2 4 6
Время, пс
Рис. 5. Изменение средней скорости атомов кислорода при каналировании в УНТ с различными хираль-ностями: (10,0) (О); (11,9) (□); (10,10) (Л).
8
20 -
15 -
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Скорость, А/фс
Рис. 6. Гистограмма распределения по скоростям для атомов водорода при каналировании в УНТ с хиральностью (10,0). На гистограмме представлено распределение в различные моменты времени: 30 фс (О); 1500 фс (сплошной цвет) и 6000 фс (Л).
моменты времени. Для моментов времени 30, 1500, 6000 фс соответственно представлены гистограммы, заполненные кружками, серым цветом и обозначенные треугольниками. Скорость измеряется в единицах А/фс. Компьютерный эксперимент показал, что при каналировании в местах образования связи атомов кислорода и водорода с атомами ОСУНТ постепенно атомы ОСУНТ начинают притягиваться, и трубка деформируется (рис. 10). При каналировании ато-
мов кислорода характерно деформирование трубки и последующее ее разрушение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование потенциала ЯеахРР обеспечивает точный расчет физических и химических параметров взаимодействия атомов с углеродными нанотрубками, что особенно четко прослеживается в ходе продолжительного процесса каналирова-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМАРНОГО ПОТОКА ЧАСТИЦ
47
15
10
► ►► ► ►► ► ►► ► ►► ► ►► ► ►► ► ►► ► ►► ► ►►
► ►гг
Ю О .ШШ
II
6000 фс 1500 фс 30 фс
. О О
_I_
0.1
0.2 0.3
Скорость, А/фс
0.4
0.5
Рис. 7. Гистограмма распределения по скоростям для атомов водорода при каналировании в УНТ с хиральностью (11,9). На гистограмме представлено распределение в различные моменты времени: 30 фс (О); 1500 фс (серый цвет) и 6000 фс (Л).
30 -
25 -
20 -
15 -
10 -
0.02 0.04 0.06 0.08
Скорость, А/фс
0.10
0.12
0.14
Рис. 8. Гистограмма распределения по скоростям для атомов кислорода при каналировании в УНТ с хиральностью (10,0). На гистограмме представлено распределение в различные моменты времени: 30 фс (О); 1500 фс (серый цвет) и 6000 фс (Л).
5
0
0
5
0
0
4В
ЛЫСОВА, МИХАИЛОВ
25 -
20 -
15
10 -
► ► ►
*■*■ w W
► ► ► - ►
. ► ► ►. . ►. ► ► ►►►►►►►►О
_1_
0
0.02
0.04
► ► ► ► ► ► ►
r r г > ► ► ► ► ► ► ► ► ► ►
0.0б
► ► ► ► »
► i
Illa i
0.0В
0.10
0.12
0.14
Скорость, А/фс
Рис. 9. Гистограмма распределения по скоростям для атомов кислорода при каналировании в УНТ с хиральностью (11,9). На гистограмме представлено распределение в различные моменты времени: 30 фс (О); 1500 фс (серый цвет) и 6000 фс (Л).
5
0
' 'rV: "V,
■'ri' • t
- Vir«
Рис. 10. Деформирование ОСУНТ (10,0) после каналирования атомов водорода в течение 5 пс.
ния. При моделировании методом молекулярной динамики был использован пакет LAMMPS с многочастичным потенциалам ReaxFF. В работе определенны потери энергии атомов при каналировании в углеродных нанотрубках различной геометрии и для различных типов атомов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вахрушев А.В., Липанов А.М., Суетин М.В Моделирование процессов адсорбирования водорода на-
ноструктурами. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2008. 120 с.
2. Матюхин С.И., Гришина С.Ю. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. Вып. 8. С. 12.
3. Plimpton S.J. // J. Comput. Phys. 1995. V. 1. P. 117.
4. Strachan A., Kober E.M., van Duin A.C.T. // J. Chem. Phys. 2005. V. 122. P. 54502.
5. Chenoweth K., van Duin A.C.T., Goddard W.A. // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. P. 1040.
Energy Characteristics of Atomic Particle Flow in Carbon Nanotube
I. V. Lysova, A. N. Mikhailov
Energy characteristics of homogeneous particle flow channeling in (10,10), (10,0), and (11,9) single wall carbon nanotubes are investigated. Atomic energy losses during the channeling in nanotubes of different geometry are determined. Histograms of the atomic velocity distribution are plotted. A long time channeling is found to result in nanotube deformation. Calculations have been performed by molecular dynamics method using LAMMPS software package and many-particle pote
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.