[論文レビュー] Dynamical Formation of Graphene and Graphane Nanoscrolls

Marcelo Lopes Pereira, Luiz Antônio Ribeiro+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Graphene research and applications参考文献 55被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、反応性分子動力学（ReaxFF）シミュレーションを用いて、カーボンナノチューブ（CNT）の周囲におけるグラフェンおよびグラネーヌナノリボンの自己スクロールを調査した。その結果、ヒドロゲン化がスクロール形成に顕著に影響することが明らかになった。グラフェン/グラフェンおよびグラフェン/グラネーヌ系では、それぞれ300–1000 Kおよび300–600 Kの温度範囲で安定なカーボンナノスクロール（CNS）が自発的に形成されたが、完全にヒドロゲン化されたグラネーヌ/グラネーヌ系ではスクロールが形成されず、ヒドロゲン化が空間的およびエネルギー的制約により自己スクロール機構を抑制することが示された。

ABSTRACT

Carbon nanoscrolls (CNSs) are nanomaterials with geometry resembling graphene layers rolled up into a spiral (papyrus-like) form. Effects of hydrogenation and temperature on the self-scrolling process of two nanoribbons interacting with a carbon nanotube (CNT) have been studied by molecular dynamics simulations for three configurations: (1) graphene/graphene/CNT; (2) graphene/graphane/CNT, and (3) graphane/graphane/CNT. Graphane refers to a fully hydrogenated graphene nanoribbon. Nanoscroll formation is observed for configuration (1) and (2) for temperatures 300-1000 and 300-600 K, respectively, while nanoribbons wrap CNT without nanoscroll formation for configuration (3).

研究の動機と目的

• グラフェンおよびグラネーヌナノリボンがカーボンナノチューブ（CNT）の周囲で自己スクロールする際のヒドロゲン化の役割を調査すること。
• さまざまなハイブリッド系におけるカーボンナノスクロール（CNS）の温度依存的安定性および形成経路を特定すること。
• 特にファンデルワールス相互作用と弾性エネルギーのコストのバランスに起因する、自発的スクロール形成を支配するエネルギー的および構造的要因を同定すること。
• CNTを用いた制御可能で、化学反応を伴わず、室温下での高品質CNS合成の可能性を検討すること。

提案手法

• C/H/O系の完全原子的反応力場（ReaxFF）分子動力学（MD）シミュレーションを、LAMMPSコードを用いて実施した。
• 3つの構成をシミュレーションした：(1) グラフェン/グラフェン/CNT、(2) グラフェン/グラネーヌ/CNT、(3) グラネーヌ/グラネーヌ/CNT。ナノリボンとCNTとの初期距離は5.41 Åとした。
• 300 K、600 K、1000 Kの各温度で、NVT系におけるNosé-Hoover thermostatを用い、100 psの平衡化と250 psの生産段階を実行した。
• 各温度で異なる乱数シードを用いて10回の独立シミュレーションを実施し、統計的信頼性を確保した。
• VMDによる可視化を用いて、全エネルギー、径分布関数、構造的進化を追跡し、エネルギーの平坦化帯（エネルギー plateau）をスクロール形成の指標とした。
• 全エネルギーの時間発展を分析し、安定スクロール形成のサインとしてエネルギーの平坦化帯を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンナノリボンのヒドロゲン化は、CNTと相互作用する際の自己スクロールプロセスを促進するか、抑制するか？
• RQ2 CNTによって誘発された場合、グラフェンベースのナノリボンがカーボンナノスクロール（CNS）を形成するのに適した温度範囲は何か？
• RQ3 同じ構造的モチーフを有するにもかかわらず、なぜグラネーヌ/グラネーヌ/CNT系はスクロールを形成しないのか？
• RQ4 反応MDシミュレーションにおいて、CNS形成に成功したエネルギー的および構造的兆候は何か？
• RQ5 CNTは、乾燥・化学反応なし・室温下でのCNS合成に有効なテンプレートとして機能可能か？

主な発見

• グラフェン/グラフェン/CNT（Complex-A）は、全シミュレーション温度範囲（300–1000 K）で安定なカーボンナノスクロールを形成し、構造的緩和を示す明確なエネルギー平坦化帯が観察された。
• グラフェン/グラネーヌ/CNT（Complex-B）は、300–600 Kの範囲でナノスクロールを効率的に形成したが、1000 Kでは熱振動の増大によりスクロール形成が抑制された。
• グラネーヌ/グラネーヌ/CNT（Complex-C）は、全温度範囲でいかなるスクロールも形成しなかった。これは、完全ヒドロゲン化が自己スクロールを妨げる要因であることを示している。
• ナノスクロールの形成は、全エネルギー対時間曲線における明確なエネルギー平坦化帯として特徴づけられ、ロールアップ後の構造的安定化が確認された。
• エネルギー平坦化帯は、1000 Kの高温でも持続しており、熱揺らぎが存在する中でもスクロール構造がエネルギー的に有利であることが示された。
• 結果から、ファンデルワールス相互作用がスクロールを駆動しているが、ヒドロゲン化による空間的および電子的効果が完全ヒドロゲン化系ではこのメカニズムを破壊することが示唆された。