بررسي خواص مكانيكي گرافن‌هاي مارپيچ چندلايه با مشخصات هندسي متفاوت با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي

Investigation of the mechanical properties of multilayer graphene helicoids with different geometric characteristics using molecular dynamics simulation

گرافن مارپيچ از‌جمله ساختارهاي مارپيچي‌شكل دست‌ساز بشر است كه اخيراً با پيشرفت نانوتكنولوژي و با الهام از طبيعت ايجاد شده است. در اين تحقيق به بررسي خواص مكانيكي گرافن‌هاي مارپيچ چندلايه با مشخصات هندسي متفاوت با استفاده از روش ديناميك مولكولي پرداخته مي‌شود و ارتباط بين تعداد لايه‌ها، مشخصات هندسي و خواص مكانيكي نانوذرات بررسي مي‌شود. نتايج نشان داده‌اند كه ويژگي‌هاي هندسي منحصر به‌فرد اين نانوذرات موجب بروز خواص مكانيكي جالبي مي‌شود كه به‌شدت به ساختار ‌‌آن‌ها وابسته است. به‌گونه‌اي كه با افزايش تعداد لايه‌ها متناسب با مشخصه‌هاي هندسي نانوذرات، مراحل رفتار كششي ‌‌آن‌ها تغيير مي‌كند. ازجمله مهم‌ترين ويژگي‌هاي اين نانوذرات كش‌پذيري شديد ‌‌آن‌ها حتي براي برخي نمونه‌ها تا حدود 3000٪ است كه با افزوده‌شدن يك‌لايه به ساختار ‌‌آن‌ها به‌شدت كاهش مي‌يابد. همچنين، نتايج بيانگر افزايش شديد نيرو در محدوده كرنشي كوچك، همزمان با شروع فرآيند كشش هستند كه به‌دليل نيروهاي واندروالس قوي بين‌لايه‌ها است. ثابت فنر براي اين نانوذرات در اين ناحيه اوليه آزمون كشش محاسبه شده است و با افزوده‌شدن لايه‌ها مقدار آن كاهش مي‌يابد. شناسايي خواص گرافن‌هاي مارپيچ چندلايه مي‌تواند منجربه افزايش كارايي ‌‌آن‌ها و عملكرد بهينه‌شان در ادوات نانومقياس و حتي بهبود كارايي‌هاي چندمقياسي‌شان شود.

Graphene helicoid is a man-made spiral structure that has recently been created with the advent of nanotechnology inspired by nature. In this study, the mechanical properties of multi-layer graphene helicoid with different geometric characteristics are studied using molecular dynamics simulation and the relationship between several layers, geometric properties, and mechanical properties of nanoparticles are investigated. The results show that the unique geometric properties of these nanoparticles produce interesting mechanical properties that are highly dependent on their structure. The stages of the tensile behavior of these nanoparticles are altered by increasing the number of layers corresponding to the geometric characteristics of the nanoparticles. One of the most important characteristics of these nanoparticles is their high stretchability, even for some specimens, up to 3000%, which, with the addition of a layer to their structure, decreases sharply. The results also indicate a strong increase in force in the small strain range with the onset of the stretching process due to the strong Van der Waals forces between the adjacent layers. The spring constant for these nanoparticles is calculated in this initial area of the tensile test and, decreases with the addition of the layers. Identifying the properties of multilayered graphene helicoid can lead to an increase in their efficiency and their optimal performance in nanoscale devices and even improve multiscale performance.