En un artículo reciente en la revista Materials Today CommunicationsLos investigadores demostraron el potencial de los nanotubos de carbono (CNT) y los nanotubos de nitruro de boro (BNNT) como hidrógeno (H2) materiales de memoria mediante el estudio de su conductividad térmica con simulaciones de dinámica molecular atomística sin equilibrio (NEMD).
Estudio: Conductividades térmicas de nitruro de boro encapsulado en hidrógeno y nanotubos de nitruro de boro-carbono híbrido utilizando simulaciones de dinámica molecular. Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock.com
Se investigaron heteronanotubos de BNNT, CNT y nitruro de boro-carbono (BN-C) en estado prístino y defectuoso para determinar su conducción térmica con diferentes cantidades de H encapsulado2. El rendimiento del campo de fuerza reactiva (ReaxFF) se comparó con el orden de enlace empírico reactivo intermolecular adaptativo de Tersoff no reactivo (AIREBO). Aunque ReaxFF resultó consistentemente en una conductividad térmica más baja (k) para todos los nanotubos analizados, proporcionó una mejor predicción cualitativa del transporte de calor.
Por otro lado, la combinación de los potenciales de Tersoff + AIREBO + Lennard-Jones (TALJ) dio una buena predicción cuantitativa de k. Sin embargo, la razón del fonón acústico seguía sin estar clara. Una regla casi lineal de mezclas para k en la composición CNT-BNNT, confirmada por los potenciales ReaxFF y TALJ, indicó que el transporte de calor interfacial en las heterouniones fue suave.
CNT y BNNT
Los CNT y los BNNT comparten una similitud estructural que permite su configuración en diversas geometrías, como estructuras heteronanotubulares, películas nanométricas, matrices de nanotubos y nanocompuestos.
Según la dimensión, la quiralidad y los defectos, el CNT es semiconductor o semimetálico con una banda prohibida de 1 electronvoltio. Por otro lado, los BNNT son dieléctricos y tienen un ancho de banda aproximado de 5,5 electronvoltios, independientemente de sus dimensiones, quiralidad o defectos en su comportamiento eléctrico.
Los CNT y BNNT livianos tienen estabilidades térmicas aceptables y conductividades térmicas excepcionales que ayudan en la gestión térmica de dispositivos electrónicos miniaturizados. Los CNT de quiralidad pura han encontrado sus aplicaciones en dispositivos electrónicos de alta densidad y alto rendimiento. Sin embargo, las aplicaciones de BNNT siguen sin explorarse porque es difícil sintetizar BNNT de alta pureza. Además, la síntesis de heteroanotubos de pared simple CNT-BNNT con una heterounión entre las capas CNT y BNNT no ha tenido éxito.
La simulación de dinámica molecular (MD) es una herramienta robusta que permite realizar investigaciones a nivel molecular de materiales a nanoescala en relación con sus mecanismos de transporte de calor. Además, las simulaciones MD a menudo se aplican para estudiar las propiedades térmicas de los BNNT y los CNT. Lo predicho computacionalmente k El valor se utiliza como sustituto del valor experimental debido a los desafíos en la síntesis de BNNT.
Los materiales de nanotubos C y BN exhiben redes endémicas y defectos de impurezas introducidos durante su síntesis y otras manipulaciones de propiedades. Aunque los CNT se han estudiado previamente para comprender los efectos de los defectos en su conductividad térmica, los BNNT y los heteroanotubos BN-C siguen sin explorarse en el mismo contexto.
Conductividad térmica de BNNT y BNNT-CNT encapsulados en H2 usando simulaciones MD
En el presente estudio, se realizaron simulaciones NEMD para calcular el transporte de calor en estructuras de pared simple híbridas BNNT y BNNT-CNT prístinas, defectuosas y encapsuladas con hidrógeno. El porcentaje en peso incluido de H2 Las moléculas dentro de los nanotubos eran 0,00, 3,25 y 6,50.
Además, el campo de fuerza ReaxFF ayudó a analizar las interacciones interatómicas de los átomos de B, N, C y H y los resultados se compararon con los obtenidos a partir de los potenciales combinados del potencial Tersoff de la interacción BCN, los potenciales AIREBO de la interacción HH y se obtuvo el potencial LJ de la interacción CBN. La combinación del potencial Tersoff-AIREBO-LJ se denominó potencial TALJ.
Los estudios fueron sobre el efecto de H2 Encapsulación de las conductividades térmicas de BNNT puro, CNT y el híbrido BN-C (50%) utilizando dos potenciales diferentes. Comparación del potencial TALJ y Tersoff para nanotubos con y sin H2 El contenido mostró que las conductividades térmicas mostraron una tendencia decreciente con el aumento de H2 Contenido en nanotubos.
El potencial ReaxFF dijo un mayor efecto de H2 Contenido en los tres nanotubos. Con H creciente2 Contenido, la máxima reducción de k se observó en CNT, seguido por BN-C híbrido y BNNT. Esta disminución en k se debió al aumento de la dispersión de fonones debido a colisiones entre átomos de nanotubos y H2 Moléculas y H2 Adsorción de moléculas en las paredes de los nanotubos.
El potencial ReaxFF describió las interacciones unidas de corto alcance de los átomos de nanotubos C/B/N y los nanotubos-H2 las interacciones de largo alcance de la molécula que no están unidas. Las interacciones entre los átomos de nanotubos-H2 Las moléculas condujeron a la fisisorción y quimisorción de H2 Moléculas en el interior de la pared de nanotubos. Los potenciales TALJ explicaron las interacciones unidas de corto alcance del átomo de CBN y las interacciones no unidas de largo alcance basadas en la fisisorción con H2 moléculas.
Conclusión
En resumen, las simulaciones NEMD se realizaron junto con el campo de fuerza ReaxFF y los potenciales TALJ para estudiar las conductividades térmicas de los heteroanotubos BNNT y BN-C. El efecto de las vacantes de un solo átomo (B, C o N) y átomos apareados (BN) y variable H2 La información sobre la conductividad térmica se examinó a 300 Kelvin. En comparación con los potenciales TALJ, el potencial ReaxFF predijo valores de k más bajos para los tres nanotubos.
El potencial ReaxFF podría determinar el efecto de la composición sobre la conductividad térmica de los híbridos BNNT-CNT y las interacciones reactivas entre el nanotubo y el H2 moléculas. Además, k se estimó cuantitativamente para los nanotubos BNC mediante parametrización al incluir la dispersión de fonones.
ReaxFF describió interacciones de largo y corto alcance utilizando su conjunto de parámetros. Además, la cobertura de elementos expandibles de ReaxFF hizo que este modelo de computadora fuera útil para varias aplicaciones, como estudiar el potencial de H2 nanotubos encapsulados para almacenar energía y detectar la actividad de heteroanotubos C-BN encapsulados en moléculas.
Relación
Dethan, JFN., Yeo, J., Rhamdhani, MA., Swamy, V. (2022) Conductividades térmicas de nitruro de boro encapsulado en hidrógeno y nanotubos híbridos de nitruro de boro y carbono mediante simulaciones de dinámica molecular. Materiales Hoy Comunicación. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352492822008017?via%3Dihub
