石墨烯懸浮在納米腔的固體表面上可以形成納米鼓結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已被用于各種應(yīng)用。在這里，利用分子動(dòng)力學(xué)，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(gè)臨界溫度決定了石墨烯是被吸引到納米腔內(nèi)還是懸浮在納米腔上。這種現(xiàn)象的潛在機(jī)制是黏附能、應(yīng)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(jié)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(dǎo)的可切換形態(tài)為熱控材料納米轉(zhuǎn)換的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。
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(lán)色)。紅色和藍(lán)色點(diǎn)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(jié)構(gòu)(R = 53 Å, D = 10 Å)中溫度誘導(dǎo)的石墨烯形貌切換過程。(a)初始構(gòu)型。(b-d)分別為25、50、62.5 ps的構(gòu)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(guān)系(D = 10 Å)。該圖也可以看作是溫度相對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)的歸一化體系自由能與石墨烯深度的關(guān)系。(R = 56 Å， T = 10 K)。
圖7. 基于石墨烯鼓的熱熔斷器開關(guān)示意圖。
相關(guān)研究成果由上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院、上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所、上海市能源工程力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
