石墨烯懸浮在納米腔的固體表面上可以形成納米鼓結構，這種結構已被用于各種應用。在這里，利用分子動力學，我們證明了溫度可以極大地改變納米鼓的石墨烯的形態(tài)。特別是，一個臨界溫度決定了石墨烯是被吸引到納米腔內還是懸浮在納米腔上。這種現(xiàn)象的潛在機制是黏附能、應變能和熵能之間的競爭。我們還發(fā)現(xiàn)，臨界溫度隨圓形納米腔的半徑線性增加。結果表明，臨界溫度取決于納米腔的大小。石墨烯納米鼓中溫度誘導的可切換形態(tài)為熱控材料納米轉換的發(fā)展提供了機會。
圖1. 石墨烯在不同溫度(R = 53 Å, D = 10 Å)下的形態(tài)(紅色和藍色)。紅色和藍色點代表在粘附和懸浮狀態(tài)下兩種不同石墨烯層的形態(tài)。(a)石墨烯粘附在空腔底部。(b)石墨烯從空腔底部分離。
圖2. 鼓形結構(R = 53 Å, D = 10 Å)中溫度誘導的石墨烯形貌切換過程。(a)初始構型。(b-d)分別為25、50、62.5 ps的構型。在低溫(290 K，左圖)下，石墨烯粘附在襯底底部，而在稍高的溫度(300 K，右圖)下，石墨烯從襯底底部脫落。(e)不同狀態(tài)下石墨烯形態(tài)的自由能示意圖。
圖3. 臨界溫度與腔半徑的關系(D = 10 Å)。該圖也可以看作是溫度相對于半徑的相圖。
圖4. 在中間區(qū)域施加余弦力使石墨烯從腔體底部分離。
圖5. 不同形態(tài)納米鼓結構在不同空腔半徑下(D = 10 Å， T = 10 K)的歸一化系統(tǒng)自由能，水平黑色虛線表示初始結構(凹形態(tài))為零基線。區(qū)域I和區(qū)域II分別表示粘附或懸浮狀態(tài)。
圖6. 鼓形結構的歸一化體系自由能與石墨烯深度的關系。(R = 56 Å， T = 10 K)。
圖7. 基于石墨烯鼓的熱熔斷器開關示意圖。
相關研究成果由上海大學力學與工程科學學院、上海市應用數學與力學研究所、上海市能源工程力學重點實驗室Yang Chen等人于2023年發(fā)表在Computational Materials Science
(https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2023.112102)上。原文：Atomistic simulations of temperature-induced switchable morphology in graphene nanodrum。
轉自《石墨烯研究》公眾號
