[论文解读] The f.c.c. Crystals of Hard Spheres with an Array of [001]-Nanochannel Inclusions Filled by the Simplest Hard Sphere Molecules

Jakub W. Narojczyk|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Phase Equilibria and Thermodynamics被引用 1

一句话总结

本研究调查了在[001]取向纳米通道内填充刚性二聚体（由固定键长连接的硬球对）的面心立方（f.c.c.）硬球晶体的弹性性质，与含有球形单元填充物的类似体系进行对比。研究发现，尽管泊松比基本保持不变，但二聚体填充物显著改变了弹性柔量和抗剪切能力，从而在不改变其 auxetic 行为的前提下实现了可调的机械响应。

ABSTRACT

In this work the systems composed of particles interacting with hard potential are investigated. These systems feature certain modifications to the crystal structure - selected particles are replaced with ones that differ slightly in their diameters. Such modifications, which can be thought of as "inclusions", concern particles located in cylindrical nanochannels, oriented in [001] direction. In this study, for the first time, additional constrains have been imposed on the particles forming the inclusions. Namely, the replaced spheres have been randomly grouped into neighbouring pairs which were connected to form simple, di-atomic molecules. The results have been compared with previously investigated systems with similar inclusions but without the connections, i.e. filled only by spheres. The comparison of elastic properties between these systems is presented. It is shown that inclusions filled with dimers have different impact on the values of elastic compliances. It has been demonstrated that by introducing a small number of molecules made of spheres whose diameters differ from the rest of the particles forming the crystal, one is able to modify the hardness and shear resistance of the f.c.c. crystal without changing the Poisson's ratio (with respect to the analogous system without additional constrains imposed on the inclusion particles).

研究动机与目标

• 调查刚性二聚体填充物对[001]取向纳米通道的f.c.c.硬球晶体弹性性质的影响。
• 在相同几何与热力学条件下，将二聚体填充体系与球形单元填充的参考体系进行比较。
• 确定是否可通过填充粒子的二聚化实现硬度与抗剪切能力的独立调控，同时保持泊松比不变。
• 评估二聚体长度与填充物尺寸对四角晶系中弹性柔量与弹性常数的影响。
• 探索分子受限填充物作为设计策略在模型晶体材料中工程化机械性能的潜力。

提出的方法

• 系统采用硬球势能，接触时排斥力无穷大，接触外无相互作用，定义为ϕij = ∞（若rij < σij），否则为0。
• 晶体结构为N个直径为σ的硬球组成的f.c.c.晶格，通过将[001]取向圆柱形纳米通道中的部分粒子替换为直径为σ′的填充球来修改。
• 在二聚体体系中，填充球被随机配对并刚性连接，形成具有固定键长L = σ或L = σ′的双原子分子。
• 通过弹性柔量矩阵Sij的逆运算计算弹性常数Bij。
• 采用周期性边界条件模拟一系列平行纳米通道，通过无量纲压力p∗ = βσ³p调节热力学条件。
• 在不同填充物直径（s = σ′/σ）、纳米通道宽度（C1, C2）和二聚体长度（L = σ, L = σ′）下进行对比分析，结果按不同压力绘制。

实验结果

研究问题

• RQ1 与球形单元填充相比，[001]纳米通道中的刚性二聚体填充物如何影响f.c.c.硬球晶体的弹性柔量矩阵Sij？
• RQ2 二聚化在多大程度上改变了弹性常数Bij，特别是与剪切和体积响应相关的B33和B66？
• RQ3 纳米通道中存在二聚体是否改变了泊松比的极值，与球形单元参考体系相比？
• RQ4 通过填充粒子的二聚化，是否可以独立调节机械性能（特别是硬度与抗剪切能力），而不改变泊松比？
• RQ5 二聚化的影响如何随填充物尺寸（σ′/σ）、纳米通道宽度（C1与C2）及二聚体长度（L = σ或L = σ′）而变化？

主要发现

• 对于较小的σ′/σ值，二聚体填充体系的弹性柔量S23系统性低于球形单元填充体系；但随着σ′/σ增大，S23上升，表明存在尺寸依赖的软化效应。
• 二聚体体系中的弹性常数B33和B66始终高于其球形单元对应体系，表明对剪切和法向应力的抵抗能力增强。
• 在较宽的C2纳米通道中，当L = σ′且σ′/σ > 1时，所有研究压力下B11略有增加，表明轴向刚度增强。
• 在所有测试参数下，包括σ′/σ = 1和不同压力，二聚体体系与球形单元体系的极端泊松比几乎完全相同。
• 尽管在高压和较大σ′/σ条件下，二聚体体系的泊松比略有更快上升，但差异不显著，表明其auxetic特性无实质性改变。
• 结果证实，二聚体填充物可在不改变泊松比的前提下，独立调控弹性柔量与抗剪切能力，从而实现对晶体机械性能的靶向工程化。