Алгоритм построения полноатомных моделей X- и T-образных бесшовных соединений между одностенными углеродными нанотрубками

Получена: 17 марта 2020; Исправлена: 23 марта 2020; Принята: 18 апреля 2020
Эта работа написана на английском языке
Цитирование: Г.В. Савостьянов, Д.С. Шмыгин. Алгоритм построения полноатомных моделей X- и T-образных бесшовных соединений между одностенными углеродными нанотрубками. Письма о материалах. 2020. Т.10. №3. С.277-282
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-3-277-282

Аннотация

Предложен оригинальный алгоритм построения полноатомных моделей X- и Т-образных бесшовных соединений между одностенными углеродными нанотрубками различной киральности и осуществелена его программная реализация в пакете SeamMaker.Моделирование процесса образования соединений между одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) требует больших вычислительных ресурсов, что затрудняет получение большой статистической выборки подобных моделей, необходимой для решения ряда задач, в частности, исследования электронной проводимости материалов на базе ОУНТ. Необходимость статистической выборки обусловлена тем, что вариантов возможных соединений между ОУНТ может быть много, причем свойства таких соединений могут быть различны, учитывая возможный вклад каждого дефекта в проводимость соединения. Для упрощения получения статистической выборки моделей соединений разработан специальный алгоритм, позволяющий значительно сократить время построения полноатомных моделей X- и T-образных бесшовных соединений между ОУНТ различной киральности. В рамках созданного алгоритма осуществляется моделирование образования углеродной поверхности путем поэтапного добавления атомов углерода в области с ненасыщенными связями с последующей оптимизацией взаимного расположения атомов методом молекулярной динамики с использованием эмпирических потенциалов для описания взаимодействия между атомами. Используемый при разработке алгоритма подход может быть обобщен для построения полноатомных моделей различных структур, содержащих углеродные поверхности сложной формы. Созданный алгоритм реализован в программном пакете SeamMaker, разработанном на языках программирования Python и C++. Для статистической выборки необходимо указать киральность соединяемых ОУНТ (причем допустимым является соединение трубок разных киральностей) и тип интересующего соединения (Х- или Т- образное). Построенные с помощью предложенного алгоритма полноатомные модели могут быть использованы для исследования влияния топологии сложных разветвленных углеродных структур на их механические и электропроводящие свойства.

Ссылки (24)

1. A. Sahaa, C. Jianga, A. A. Marti. Carbon. 79, 1 (2014). Crossref
2. E. S. Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell, D. Park. Appl. Phys. Lett. 82, 2145 (2003). Crossref
3. Z. Spitalsky, D. Tasis, K. Papagelis, C. Galiotis. Prog. Polym. Sci. 35, 357 (2010). Crossref
4. W. S. Bao, S. A. Meguid, Z. H. Zhu, G. J. Weng. J. Appl. Phys. 111, 093726 (2012). Crossref
5. C. Gau, C. Y. Kuo, H. S. Ko. Nanotechnology. 20, 395705 (2009). Crossref
6. A. Y. Gerasimenko, L. P. Ichkitidze, V. M. Podgaetsky, S. V. Selishchev. Biomed. Eng. 48, 23 (2015). Crossref
7. P. Khalid, M. A. Hussain, V. B. Suman, A. B. Arun. Int. J. Appl. Eng. Res. 11, 148 (2016).
8. Y. Yuan, J. Chen. Nanomaterials. 6, 36 (2016). Crossref
9. D. Wei, Y. Liu. Adv. Mater. 20, 2815 (2008). Crossref
10. A. Yu. Gerasimenko, O. E. Glukhova, G. V. Savostyanov, V. M. Podgaetsky. J. Biomed. Opt. 22, 065003 (2017). Crossref
11. M. Menon, D. Srivastava. Phys. Rev. Lett. 79, 4453 (1997). Crossref
12. V. Meunier, M. B. Nardelli, J. Bernholc, T. Zacharia. Appl. Phys. Lett. 81, 5234 (2002). Crossref
13. F. Y. Meng, S. Q. Shi, D. S. Xu, R. Yang. Carbon. 44, 1263 (2006). Crossref
14. V. V. Shunaev, O. E. Glukhova. Lett. Mater. 9, 136 (2019). Crossref
15. D. R. Nutt, H. Weller. J. Chem. Theory Comput. 5 (7), 1877 (2009). Crossref
16. S. Melchor, F. J. Martin-Martinez, J. A. Dobado. J. Chem. Inf. Model. 51, 1492 (2011). Crossref
17. D. W. Brenner, O. A. Shenderova, J. A. Harrison, S. J. Stuart, B. Ni, S. B. Sinnott. J. Phys.: Condens. Matter. 14, 783 (2002). Crossref
18. O. E. Glukhova. Molecular Dynamics as the Tool for Investigation of Carbon Nanostructures Properties. In: Thermal Transport in Carbon-Based Nanomaterials (Ed. by G. Zhang). Elsevier, Netherlands (2017) pp. 267 - 290. Crossref
19. T. Möller, B. Trumbore. J. Graph. Tools. 2, 21 (1997). Crossref
20. A. R. Leach. Molecular Modelling: Principles and Applications (2001) 754 p.
21. H. Posch, W. Hoover, F. Vesely. Phys. Rev. A. 33, 4253 (1986). Crossref
22. D. Abrahams, R. W. Grosse-Kunstleve. C / C++ Users Journal. 21, 29 (2003).
23. S. v. d. Walt, S. C. Colbert, G. Varoquaux. The NumPy Array: A Structure for Efficient Numerical Computation. Comput Sci Eng. 13, 22 (2011). Crossref
24. E. Jones, T. Oliphant, P. Peterson. SciPy: Open source scientific tools for Python. 2001. http://www.scipy.org/ (accessed 2019-06-11).

Финансирование