ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОРФОЛОГИИ ГРАФИНОВ НА ИХ УПРУГИЕ СВОЙСТВА: МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА

Автор: Полина Викторовна Полякова

Соавторы: Лисовенко Д.С., Баимова Ю.А.

Организация: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН

Новые двумерные материалы в последнее время представляют собой актуальный объект исследований, благодаря своими механическими и физическими свойствам. Одной из таких структур является графин – монослой атомов углерода с sp- и sp2-гибритизацией. Данный материал обладает превосходными термоэлектрическими и фотоэлектрическими свойствами, что делает его перспективным кандидатом для применения в качестве защитных элементов от ультрафиолетового излучения, транзисторов, анодного материала для литий-ионных батарей будущего поколения и т.д. [1]. В настоящей работе исследованы упругие свойства пяти различных графинов (alfa, beta1, beta3, gamma1 и gamma2) методом молекулярной динамики.

На рисунке 1 представлены начальные структуры графинов, alfa, beta1 и gamma1 имеют гексагональную анизотропию, а beta3 и gamma2 – ромбическую. Размер ячейки моделирования: Lx=250 Å, Ly=250 Å, Lz=20 Å. Все расчеты проводятся с использованием свободного распространяемого программного пакета LAMMPS и межатомного потенциала AIREBO. В системе поддерживается постоянство 0.001 К с помощью термостата Носе-Хувера. Расчеты выполнены с использованием NVT-ансамбля, периодические граничные условия применяются во всех направлениях. 

Методика расчета констант упругости двумерных материалов представлена в работе [2]. К каждой структуре приложено одноосное растяжение до 0.1% и рассчитаны константы жесткости и податливости методом молекулярной динамики. После чего аналитически рассчитываются модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона [3].

Основываясь на законе Гука, методом молекулярной динамики получены константы упругости для пяти морфологий графина. Обнаружено, что атомная укладка графина существенно влияет на значения констант упругости. Среди гексагональных графинов gamma1-графин имеет наибольший модуль Юнга, а alfa-графин – наименьший. Показано, что среди ромбических графинов более высокая анизотропия наблюдается для betta3-графина (Emax/Emin = 2.65, Gmax/Gmin = 3.03), чем для gamma2-графина (Emax/Emin = 2.24, Gmax/Gmin = 1.44).

1. Kang J., Li J., Wu F., Li S.-S., Xia J.-B. High mobility and high storage capacity of lithium in sp-sp2 hybridized carbon network: the case of graphyne // J. Phys. Chem. C. 2011. Vol. 115. P. 20466–20470.

2. Полякова П.В., Мурзаев Р.Т., Баимова Ю.А. Методика расчета констант упругости графина методом молекулярной динамики // ПМТФ. 2023. Т. 6. № 6. С. 176-178.

3. Polyakova P.V., Galiakhmetova L.K., Murzaev R.T., Lisovenko D.S., Baimova J.A. Elastic properties of diamane // Lett. Mater. 2023. Vol. 13. № 2. P. 171-176.