Збірник наукових праць Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
2025 рік Том 23, Випуск 4
Завантажити повну версію статті (PDF) Відкритий доступ

С. О. КОТРЕЧКО1,2,3, О. В. ОВСЯННІКОВ1, М. А. БАРВІНКО1

1Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Акад. Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
2Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 60, 01601 Київ, Україна
3Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Берестейський, 37, 03056 Київ, Україна

Молекулярно-динамічне моделювання впливу температури та швидкости деформації на міцність карбін-графенових наноелементів

999–1013 (2025)

PACS numbers: 31.15.xv, 34.20.Cf, 36.40.Qv, 61.48.-c, 62.25.Mn, 81.05.U-, 85.85.+j

Отримано 16 липня 2025 р.

Наведено результати молекулярно-динамічного моделювання впливу температури та швидкости деформації на міцність карбін-графенових наноелементів (КГН), які складаються із графенових листів, з'єднаних карбіновими ланцюжками. Для моделювання використано новітній «Machine Learning» АСЕ-потенціял. Встановлено, що міцність КГН контролюється міцністю контактних зв'язків, які з'єднують карбіновий ланцюжок з графеновими листами, а процес руйнування їх має термоактиваційний характер. Показано, що в напівлогаритмічних координатах міцність КГН лінійно зростає зі збільшенням швидкости деформації; водночас чутливість міцности до швидкости деформації зростає зі зростанням температури. За T = 900 К збільшення швидкости деформації на два порядки зумовлює зростання міцности на 6,5%. Зростання температури за постійної швидкости деформації спричинює зменшення міцности КГН. За швидкости деформації у 7,8·106 c-1 зменшення міцности КГН в інтервалі температур 3–900 К не перевищує 20%. Це набагато менше величини відповідного ефекту для металевих нанодротів. Низька чутливість міцности КГН щодо температури та швидкости деформації обґрунтовує ефективність використання їх в якості елементів стрейнтроніки.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: карбін, графен, карбін-графенові наноелементи, контактний зв'язок, низькорозмірна наноструктура, міцність

Цитування:
S. O. Kotrechko, O. V. Ovsiannikov, and M. A. Barvinko, Molecular Dynamics Simulation of Temperature Dependence and Strain Rate Effect on the Strength of Carbyne–Graphene Nanoelements, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 23, No. 4: 999–1013 (2025); https://doi.org/10.15407/nnn.23.04.0999
ЛІТЕРАТУРА
  1. F. Ben Romdhane, J.-J. Adjizian, J.-C. Charlier, and F. Banhart, Carbon, 122: 92 (2017); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.06.039
  2. S. G. Sarwat, P. Gehring, G. R. Hernandez, J. H. Warner, G. A. D. Briggs, J. A. Mol, and H. Bhaskaran, Nano Letters, 17, Iss. 6: 3688 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00909
  3. O. Cretu, A. R. Botello-Mendez, I. Janowska, C. Pham-Huu, J.-C. Charlier, and F. Banhart, Nano Letters, 13, Iss. 8: 3487 (2013); https://doi.org/10.1021/nl4018918
  4. L. Shen, M. Zeng, S. Yang, C. Zhang, X. Wang, and Y. Feng, J. Am. Chem. Soc., 132, Iss. 33: 11481 (2010); https://doi.org/10.1021/ja909531c
  5. A. La Torre, A. Botello-Mendez, W. Baaziz, J.-C. Charlier, and F. Banhart, Nat. Commun., 6: 6636 (2015); https://doi.org/10.1038/ncomms7636
  6. Z. Zhang, J. Zhang, G. Kwong, J. Li, Z. Fan, X. Deng, and G. Tang, Sci. Rep., 3: 2575 (2013); https://doi.org/10.1038/srep02575
  7. E. Gao, Y. Guo, Z. Wang, O. Nielsen, and R. H. Baughman, Matter, 5, Iss. 4: 1192 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.021
  8. M. Liu, V. Artyukhov, H. Lee, F. Xu, and B. Yakobson, ACS Nano, 7, Iss. 11: 10075 (2013); https://doi.org/10.1021/nn404177r
  9. Y. He, H. Xu, G. Ouyang, and G. Yang, Results in Physics, 34: 105311 (2022); https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105311
  10. T. Chen and Y. Luo, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 486, Iss. 2: 1875 (2019); https://doi.org/10.1093/mnras/stz1014
  11. E. Kano, M. Takeguchi, J. Fujita, and A. Hashimoto, Carbon, 80: 382 (2014); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.08.077
  12. S. Jeevanandham, D. Kochhar, O. Agrawal, S. Pahari, C. Kar, T. Goswami, I. Sulania, and M. Mukherjee, Nanoscale Advances, 6: 2390 (2024); https://doi.org/10.1039/d4na00076e
  13. H. Zhao and N. R. Aluru, J. Appl. Phys., 108: 064321 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3488620
  14. Y. Wang, X.-J. Ning, X.-Z. Lin, and P. L. J. Zhuang, Phys. Rev. B, 76: 165423 (2007); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.165423
  15. R. Mirzaeifar, Z. Qin, and M. J. Buehler, Nanotechnology, 25: 371001 (2014); https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/37/371001
  16. S. Kotrechko, N. Stetsenko, and E. Kolyvoshko, Solid State Phenomena, 258: 286 (2017); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.258.286
  17. X. Yang, Y. Huang, B. Cao, and A. C. To, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 93: 124 (2017); https://doi.org/10.1016/j.physe.2017.06.006
  18. R. Drautz, Phys. Rev. B, 99: 014104 (2019); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.014104
  19. M. Qamar, M. Mrovec, Y. Lysogorskiy, A. Bochkarev, and R. Drautz, arXiv: 2210.09161 [cond-mat.mtrl-sci] (2023); https://doi.org/10.48550/arXiv.2210.09161
  20. A. P. Thompson et al., Computer Physics Communications, 271: 108171 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  21. Y. Lysogorskiy, C. van der Oord, A. Bochkarev, S. Menon, M. Rinaldi, T. Hammerschmidt, M. Mrovec, A. Thompson, G. Csányi, C. Ortner, and R. Drautz, npj Comput Mater., 7: 97 (2021); https://doi.org/10.1038/s41524-021-00559-9
  22. A. Timoshevskii, S. Kotrechko, Y. Matviychuk, and E. Kolyvoshko, Handbook of Graphene. Ab Initio Design of 2D and 3D Graphene-Based Nanostructure (Wiley: 2019), Ch. 6; https://doi.org/10.1002/9781119468455.ch58
  23. W. G. Hoover and B. L. Holian, Physics Letters A, 211, Iss. 5: 253 (1996); https://doi.org/10.1016/0375-9601(95)00973-6
  24. M. Zhou, Proc. R. Soc. Lond. A, 459, Iss. 2037: 2347 (2003); https://doi.org/10.1098/rspa.2003.1127
  25. S. N. Zhurkov, Int. J. Fract. Mech., 1: 311 (1965); https://doi.org/10.1007/BF00962961
  26. S. Kotrechko, O. Ovsiannikov, N. Stetsenko, I. Mikhailovskij, T. Mazilova, and M. Starostenkov, Philosophical Magazine, 95, Iss. 6: 473 (2016); https://doi.org/10.1080/14786435.2016.1140913
  27. A. Timoshevskii, S. Kotrechko, and Y. Matviychuk, Phys. Rev. B, 91: 245434 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.245434