[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究采用反应性分子动力学（ReaxFF）模拟，探究石墨烯和石墨烷纳米带在碳纳米管（CNT）周围自卷曲的行为，结果表明氢化显著影响卷曲的形成。结果显示，石墨烯/石墨烯和石墨烯/石墨烷体系在300–1000 K和300–600 K范围内自发形成稳定的碳纳米管状卷（CNSs），而完全氢化的石墨烷/石墨烷体系则不发生卷曲，表明氢化通过空间位阻和能量约束抑制了自卷曲机制。

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).

研究动机与目标

• 研究氢化在石墨烯和石墨烷纳米带与碳纳米管（CNT）相互作用时自卷曲动力学中的作用。
• 确定不同混合体系中碳纳米管状卷（CNSs）的温度依赖性稳定性和形成路径。
• 识别驱动自发卷曲形成的能量和结构因素，特别是范德华作用力与弹性能量成本之间的平衡。
• 探索利用CNT作为模板实现可控、干燥且非化学法合成高质量CNSs的可行性。

提出的方法

• 采用LAMMPS代码对C/H/O体系进行全原子级反应力场（ReaxFF）分子动力学（MD）模拟。
• 模拟三种构型：(1) 石墨烯/石墨烯/CNT，(2) 石墨烯/石墨烷/CNT，和(3) 石墨烷/石墨烷/CNT，初始时纳米带与CNT间距为5.41 Å。
• 在300 K、600 K和1000 K下进行模拟，使用Nosé-Hoover恒温器在NVT系综中进行100 ps平衡和250 ps生产运行。
• 每个温度下进行10次独立模拟，采用不同随机种子以确保统计鲁棒性。
• 通过VMD可视化追踪总能量、径向分布函数和结构演化，利用能量平台识别卷曲形成。
• 分析总能量随时间的演化，检测能量平台作为稳定卷曲形成的标志。

实验结果

研究问题

• RQ1 当石墨烯纳米带与CNT相互作用时，其氢化是促进还是抑制自卷曲过程？
• RQ2 在何种温度范围内，石墨烯基纳米带在CNT触发下能成功形成碳纳米管状卷（CNSs）？
• RQ3 为何石墨烷/石墨烷/CNT体系尽管具有相似的结构特征却无法形成卷曲？
• RQ4 在反应性MD模拟中，哪些能量和结构特征可表明CNSs的成功形成？
• RQ5 CNT能否作为有效模板，实现干燥、非化学法且室温下合成CNSs？

主要发现

• 石墨烯/石墨烯/CNT（Complex-A）在所有模拟温度（300–1000 K）下均形成稳定的碳纳米管状卷，总能量-时间曲线中出现明显能量平台，表明结构松弛。
• 石墨烯/石墨烷/CNT（Complex-B）在300–600 K范围内成功形成纳米管状卷，但在1000 K时卷曲过程被抑制，因热振动加剧破坏了卷曲过程。
• 石墨烷/石墨烷/CNT（Complex-C）在所有温度范围内均未形成任何卷曲，表明完全氢化会阻止自卷曲。
• 纳米管状卷的形成以总能量-时间曲线中出现显著能量平台为标志，证实卷曲后结构稳定。
• 即使在高温（高达1000 K）下，能量平台依然持续存在，表明卷曲结构在热涨落下仍保持能量优势。
• 结果表明范德华作用力驱动卷曲，但氢化带来的空间位阻和电子效应会破坏完全氢化体系中的该机制。