[논문 리뷰] Ab initio study of elastic properties of functionalized carbon nanotubes

Karolina Z. Milowska, Jacek A. Majewski|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 25.

Carbon Nanotubes in Composites인용 수 1

한 줄 요약

이 ab initio 연구는 밀도 함수 이론(DFT)를 사용하여 공유 결합 기능화로 인해 단일성 탄소 나노튜브(SWCNTs)의 탄성 특성이 어떻게 변화하는지 조사한다. 유기 라디칼(-NH, -NH2, -CH2, -CH3, -OH)을 이용한 기능화는 탄성 계수를 감소시키며, 특히 -CH2 기능화로 인해 양의 탄성 계수는 30% 감소한다. 그러나 기능화된 CNTs는 복합재료 보강재로 사용될 수 있을 정도로 기계적 강도를 유지한다.

ABSTRACT

We study the effects of covalent functionalization of single wall carbon nanotubes (CNT) on their elastic properties. We consider simple organic molecules -NH, -NH2, -CH2, -CH3, -OH attached to CNTs' surface at various densities. The studies are based on the first principles calculations in the framework of density functional theory. We have determined the changes in the geometry and the elastic moduli of the functionalized CNTs as a function of the density of adsorbed molecules. It turns out that elastic moduli diminish with increasing concentration of adsorbands, however, the functionalized CNTs remain strong enough to be suitable for reinforcement of composites. The strongest effect is observed for CNTs functionalized with -CH2 radical, where the Young's modulus of the functionalized system is by 30% smaller than in the pristine CNTs.

연구 동기 및 목표

• 공유 결합 기능화가 단일성 탄소 나노튜브(SWCNTs)의 탄성 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 다양한 기능기(-NH, -NH2, -CH2, -CH3, -OH)가 표면 피복도에 따라 기계적 강성에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 기능화된 CNTs가 구조 복합재료에 사용될 수 있을 정도로 기계적으로 강건한지 확인하기 위해.
• 초기 원리 방법을 사용하여 기능화 농도에 따른 기하학적 변화와 탄성 계수 변화를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 기능화된 SWCNT 시스템을 모델링하기 위해 초기 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• CNT 표면에 흡착된 유기 라디칼의 농도를 체계적으로 변화시켜 다양한 기능화 농도를 시뮬레이션하였다.
• 공유 결합에 의해 유도된 원자 기하학적 변화와 결합 비틀림을 계산하였다.
• 관통 방향에 대한 축방향 단축 하중에 대한 응력-변형률 반응에서 탄성 계수, 특히 양의 탄성 계수를 계산하였다.
• 주기적 경계 조건과 초세포를 사용하여 결함 농도를 제어한 기능화된 CNTs를 모델링하였다.
• DFT 결과의 정확도를 확보하기 위해 k점 샘플링과 기저 집합에 대한 수렴 테스트를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 유기 라디칼로 공유 결합 기능화가 단일성 탄소 나노튜브의 탄성 계수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기능화 농도와 기능화된 CNTs의 탄성 계수 감소 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 어느 기능기가 CNTs의 기계적 성질에 가장 강한 연화 효과를 유도하는가?
• RQ4 기능화된 CNTs가 구조 복합재료 응용에 적합한 기계적 안정성을 어느 정도 유지하는가?

주요 결과

• 기능화된 CNTs의 탄성 계수는 흡착된 기능기의 농도가 증가함에 따라 감소한다.
• -CH2 라디칼이 양의 탄성 계수를 가장 크게 감소시켜 순수 CNTs 대비 30% 감소시킨다.
• -NH, -NH2, -CH3, -OH 기능화 역시 탄성 계수를 감소시키지만, -CH2에 비해 그 정도는 낮다.
• 감소가 있었음에도 불구하고, 기능화된 CNTs는 복합재료 응용을 위한 충분한 기계적 강도를 유지한다.
• 특히 고피복도에서 공유 결합으로 인해 CNTs의 기하학적 구조에 측정 가능한 비틀림이 발생한다.
• 연구는 기능화가 기계적 반응을 예측 가능하게 변화시키며, 이 효과는 -CH2 기능화에서 가장 뚜렷하다는 것을 확인한다.