ESTUDO COMPUTACIONAL DAS POLIMERIZAÇÕES INDUZIDAS EM DWCNTs SOB CONDIÇÕES EXTREMAS DE TEMPERATURA E PRESSÃO

Abstract

RESUMO: Com o surgimento dos nano materiais, novas aplicações para estes materiais vem sendo projetadas e implementadas na área da nanotecnologia. Estudamos os Nano tubos de Carbono de Parede Dupla (Double Wall Carbon Nanotubes - DWCNTs) no que diz respeito à sua estabilidade estrutural quando submetidos a condições extremas de pressão e temperatura. Este trabalho tem como objetivo mostrar o comportamento das polimerizações induzidas sob altas pressões e temperaturas. No estudo das propriedades estruturais dos nano tubos, usamos simulações de Dinâmica Molecular com potenciais reativos para átomos de carbono semi-empíricos (REBO) e Lennard-Jones, com condições periódicas de contorno. Utilizamos arranjos em feixes (bundles) de DWCNTs do tipo armchair (5,5)@(10,10) e zigzag (9,0)@(17,0), com diâmetros de 6; 78 e 13; 57 A para nano tubos armchair e diâmetros de 7; 05 e 13; 32 A para nano tubos zigzag. Observamos que, com a aplicação de pressão os nano tubos adquirem formas circulares (até 2GPa), poligonais (até 6GPa) e colapsadas (após 7GPa). Com o aumento da temperatura, estas estruturas passam para forma polimerizada, grafitizada e, por fim, amorfizada. Concluímos que a pressão nos nano tubos de carbono é uma variável fundamental para a grafitização nos nano tubos de carbono e que quanto maior a pressão, menor é a temperatura na qual o material se grafitiza. Encontramos que o intervalo de temperatura onde obtemos estruturas polimerizadas é bem larga, e, que o aumento de temperatura acima de 4500K determina o início do processo de amorfização dos nano tubos. Concluímos também que quanto maior a pressão menor é a temperatura na qual os tubos começam a polimerização entre nano tubos diferentes, na qual mostramos que após o resfriamento das estruturas, elas permanecem com o número de ligações equivalentes aos formados após o banho térmico, ou seja, os átomos com configuração sp3 não se desfazem com o resfriamento. Por fim, sugerimos uma possibilidade de podermos aumentar a resistência dos nano tubos de carbono, desde que essa conversão de átomos sp2 para sp3 tenha um percentual razoável. ABSTRACT: With the emergence of nanometric materials, new applications for these materials have been designed and implemented in the field of nanotechnology. We studied Double Wall Carbon Nanotubes (DWCNTs) with respect to their structural stability when subjected to extreme conditions of pressure and temperature. This work aims to show the behaviour of the polymerizations induced under high pressures and temperatures. In the study of the structural properties of nanotubes, we used Molecular Dynamics simulations with semi-empirical potentials (REBO) and Lennard-Jones, with periodic contour conditions. We used armchair type (5.5)@(10.10) and zigzag (9.0)@(17.0), with diameters of 6:78Aand 13:57Afor armchair tubes and diameters of 7:05Aand 13:32Afor zigzag tubes. We observe that with the application of pressure the tubes acquire circular (up to 2GPa), polygonal (up to 6GPa) and collapsed (after 7GPa) shapes. With the increase in temperature, these structures pass to a polymerized, graphitized and, finally, amorphized form. We conclude that the pressure in the carbon nanotubes is a fundamental variable for the graphitization of the carbon nanotubes and that the higher the pressure, the lower the temperature at which the material is graphed. We find that the temperature range where we obtain polymerized structures is very wide, and that the temperature increase above 4500K determines the beginning of the amorphization process of the tubes. We also conclude that the higher the pressure the lower the temperature at which the tubes begin to polymerize between diferent tubes, in which we show that after the cooling of the structures, they remain with the number of connections equivalent to those formed after the thermal bath, the atoms having the sp3 configuration do not dissolve with the cooling. Finally, we suggest a possibility that we can increase the resistance of carbon nanotubes, provided that the conversion of atoms sp2 to sp3 has a reasonable percentage.