Estudo de propriedades mecânicas de novas nanoestruturas de carbono através de simulação molecular

Abstract

Nas últimas décadas, foram descobertas e estudadas diversas nanoestruturas baseadas em carbono, como os fulerenos, os nanotubos de carbono e o grafeno. Estas apresentam um conjunto de propriedades físicas excepcional, com vasto potencial de aplicação no desenvolvimento de novas tecnologias. Estes materiais também têm servido como blocos fundamentais para a criação de novas nanoestruturas, com propriedades físicas diferenciadas, que podem ser modificadas e controladas visando aplicações específicas. Estudos experimentais recentes nesta área são promissores, porém falta um maior entendimento fundamental destas novas estruturas e suas propriedades. O objetivo deste trabalho é propor novas nanoestruturas alternativas baseadas em carbono, buscar um melhor entendimento da estrutura de nanomateriais recentemente sintetizados e reportados na literatura e avaliar suas propriedades mecânicas através de simulações de dinâmica molecular, de modo a verificar se apresentam potencial para serem aplicados em dispositivos práticos no qual alta resistência mecânica e leveza sejam necessárias. Foram estudadas três classes de estruturas: superestruturas à base de anéis feitos com nanotubos de carbono (nanocorrentes e nanogrades) propostas neste trabalho, estruturas híbridas combinando grafeno e nanotubos, de forma a buscar uma estrutura mais resistente, reportadas recentemente na literatura (chamada de grafeno rebar), e superestruturas ramificadas utilizando nanofilamentos de diamante (diamond nanothreads) também sintetizados em estudos recentes. As superestruturas à base de anéis apresentaram excelentes propriedades mecânicas, apresentando resistência mecânica superior a materiais convencionais, porém com grande elasticidade, o que deve motivar mais estudos sobre essa emergente classe de nanomateriais. Os testes com o grafeno rebar permitiram demonstrar o conceito caraterístico da estrutura híbrida, onde os nanotubos agem como reforço estrutural para o grafeno. Finalmente, com base nos testes realizados, as superestruturas feitas a partir de nanofilamentos de diamante se mostraram instáveis para possível aplicação, tal que novas configurações devem ser buscadas. Estes resultados trazem um maior entendimento sobre a relação entre estrutura e propriedades destes nanomateriais, motivando futuros estudos teóricos e experimentais envolvendo a aplicação destas no desenvolvimento de novas tecnologias.

Several carbon-based nanostructures have been discovered and studied in the last decades, such as fullerenes, carbon nanotubes and graphene. These materials exhibit an outstanding set of physical properties, which can be applied in the development of new technologies. The same materials have also been used as building blocks for creating new nanostructures with different physical properties, which can be modified and controlled towards specific applications. Recent experimental studies in this area are promising, but a greater fundamental understanding of these new structures and their properties are still elusive. The objective of this dissertation is to propose novel carbon-based nanostructures, to obtain a better understanding of the structure of newly synthesized nanomaterials reported in the literature, and evaluate their mechanical properties using molecular dynamics simulations, in order to evaluate their suitability for the development of practical devices where strong and light-weight materials are required. Three types of carbon nanostructures were studied: superstructures based on rings made out of carbon nanotubes (nanochains and nanofences) proposed in this work, hybrid structures combining graphene and nanotubes, recently reported in the literature (called graphene rebar), and branched superstructures using diamond nanothreads (also synthesized in recent studies). Ring-based CNT superstructures exhibited excellent mechanical properties under tensile strain, with superior mechanical resistance compared to conventional materials, but with great elasticity. Tests with rebar graphene demonstrated that the nanotubes act as structural reinforcement for graphene. Finally, the branched superstructures based on diamond nanothreads proposed in this study were not stable, and alternatives should be investigated in the future. These results provide a better understanding of the relationship between structure and properties of the investigated nanomaterials, motivating future theoretical and experimental studies regarding their application in the development of new technologies.