Estudo de propriedades mecânicas em nanoestruturas de carbono e nitreto de boro através de simulações de dinâmica molecular

The discovery of graphene and its exceptional properties has motivated research on twodimensional (2D) materials for over a decade. Since then, several other 2D materials with diverse properties have been discovered, such as hexagonal boron nitride (h-BN). More recently, two-dimensional materials...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Lima, Jailsson Silva
Outros Autores: Machado, Leonardo Dantas
Formato: doctoralThesis
Idioma:pt_BR
Publicado em: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
Grafeno
Nitreto de boro hexagonal
Nanoestruturas híbridas
Propriedades mecânicas
Dinâmica molecular
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/50977
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Lima, Jailsson Silva
Estudo de propriedades mecânicas em nanoestruturas de carbono e nitreto de boro através de simulações de dinâmica molecular
description The discovery of graphene and its exceptional properties has motivated research on twodimensional (2D) materials for over a decade. Since then, several other 2D materials with diverse properties have been discovered, such as hexagonal boron nitride (h-BN). More recently, two-dimensional materials have been combined into hybrid structures, leading to the creation of solids with adjustable properties. In this document, the mechanical properties of hybrid nanostructures composed of graphene and h-BN were investigated using classical molecular dynamics. Two types of arrangements were considered: (i) square sheets of graphene containing circular and hexagonal h-BN domains and (ii) square sheets of h-BN containing circular, hexagonal, triangular and double triangular graphene domains. The results obtained here show that, for both types of structures, the Young’s modulus of the hybrid structure depends essentially on the fraction of h-BN and graphene in the structure, with Young’s modulus values decreasing linearly as the concentration of h-BN increases in (i) and increasing with increasing graphene in (ii). We also analyze the temporal evolution of the fracture patters and of the stress concentration during the simulations. From this analysis we conclude that the fracture always starts in the interface region between graphene and h-BN, because it was found that the B-C and C-N bonds are weaker than the C-C and B-N bonds. Finally, we observe for both types of arrangements that the mechanical properties of the hybrid structures are not altered when the sheet length and the domain diameter are increased proportionally. This indicates that our results may be valid for much larger structures than those tested here, such as those that are synthesized experimentally.
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spelling ri-123456789-509772023-01-17T20:06:52Z Estudo de propriedades mecânicas em nanoestruturas de carbono e nitreto de boro através de simulações de dinâmica molecular Mechanical properties of carbon and boron nitride nanostructures: a molecular dynamics study Lima, Jailsson Silva Machado, Leonardo Dantas https://orcid.org/0000-0002-8901-6724 http://lattes.cnpq.br/3653068718214741 https://orcid.org/0000-0003-1221-4228 http://lattes.cnpq.br/9253069541351708 Anselmo, Dory Hélio Aires de Lima https://orcid.org/0000-0003-0180-9189 http://lattes.cnpq.br/0554474279738500 Mohan, Madras Viswanathan Gandhi Fonseca, Alexandre Fontes da Azevedo, Sérgio André Fontes Grafeno Nitreto de boro hexagonal Nanoestruturas híbridas Propriedades mecânicas Dinâmica molecular CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA The discovery of graphene and its exceptional properties has motivated research on twodimensional (2D) materials for over a decade. Since then, several other 2D materials with diverse properties have been discovered, such as hexagonal boron nitride (h-BN). More recently, two-dimensional materials have been combined into hybrid structures, leading to the creation of solids with adjustable properties. In this document, the mechanical properties of hybrid nanostructures composed of graphene and h-BN were investigated using classical molecular dynamics. Two types of arrangements were considered: (i) square sheets of graphene containing circular and hexagonal h-BN domains and (ii) square sheets of h-BN containing circular, hexagonal, triangular and double triangular graphene domains. The results obtained here show that, for both types of structures, the Young’s modulus of the hybrid structure depends essentially on the fraction of h-BN and graphene in the structure, with Young’s modulus values decreasing linearly as the concentration of h-BN increases in (i) and increasing with increasing graphene in (ii). We also analyze the temporal evolution of the fracture patters and of the stress concentration during the simulations. From this analysis we conclude that the fracture always starts in the interface region between graphene and h-BN, because it was found that the B-C and C-N bonds are weaker than the C-C and B-N bonds. Finally, we observe for both types of arrangements that the mechanical properties of the hybrid structures are not altered when the sheet length and the domain diameter are increased proportionally. This indicates that our results may be valid for much larger structures than those tested here, such as those that are synthesized experimentally. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A descoberta do grafeno e de suas propriedades excepcionais vem motivando pesquisas a respeito de materiais bidimensionais (2D) há mais de uma década. Diversos outros materiais 2D foram descobertos desde então com propriedades diversas, como o nitreto de boro hexagonal (h-BN). Mais recentemente, materiais bidimensionais têm sido combinados em estruturas híbridas, levando a criação de sólidos com propriedades ajustáveis. Neste documento, as propriedades mecânicas de nanoestruturas híbridas de grafeno e de h-BN foram investigadas utilizando dinâmica molecular clássica. Dois tipos de arranjos foram considerados: (i) folhas quadradas de grafeno contendo domínios de h-BN circulares e hexagonais e (ii) folhas quadradas de h-BN contendo domínios de grafeno circulares, hexagonais, triangulares e duplo triangulares. Os resultados obtidos aqui mostram que para os dois tipos de estruturas, o módulo de Young da estrutura híbrida depende essencialmente da fração de h-BN e de grafeno na estrutura, com o módulo de Young decrescendo linearmente à medida que a concentração de h-BN aumenta em (i) e crescente com aumento de grafeno em (ii). Foi analisado também a evolução temporal da fratura e da concentração de tensão durante as simulações. Desta análise concluímos que a fratura sempre se inicia na região de interface entre o grafeno e o h-BN, porque foi constatado que as ligações B-C e C-N são mais fracas do que as ligações C-C e B-N. Finalmente, observamos para os dois tipos de arranjos que as propriedades mecânicas das estruturas híbridas não são alteradas quando o comprimento da folha e o diâmetro dos domínios são aumentados proporcionalmente. Isto indica que nossos resultados podem ser válidos para estruturas bem maiores do que as testadas aqui, como as que são sintetizadas experimentalmente. 2023-01-17T20:06:13Z 2023-01-17T20:06:13Z 2022-08-08 doctoralThesis LIMA, Jailsson Silva. Estudo de propriedades mecânicas em nanoestruturas de carbono e nitreto de boro através de simulações de dinâmica molecular. Orientador: Leonardo Dantas Machado. 2022. 139f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/50977 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA

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