Использование квазиодномерных систем в качестве “покрышек” – явление достаточно редкое, хотя углеродные нанотрубки (УНТ) в виду ряда их механических особенностей, таких как прочность и жесткость, могли бы стать подходящим вариантом. И вот, ученые из Sharif Univ. of Technology (Иран) [1] впервые рассмотрели движение углеродной нанотрубки на поверхности золота (рис. 1) и проанализировали преимущества такого типа колеc перед предложенными ранее фуллеренами и p-карборанами.

Рис. 1. Углеродная нанотрубка с индексами хиральности (9.0) на золотой подложке, три нижних слоя которой зафиксированы (выделено красным цветом) для устранения влияния смещения подложки на движение нанотрубки.

В качестве методов исследования они использовали классическую молекулярную динамику и анализ профиля потенциальной энергии для верификации результатов. Взаимодействие между атомами золота в подложке авторы описывали с помощью метода погруженного атома (EAM). Для моделирования внутренних взаимодействий атомов углерода в нанотрубке использовался потенциал AIREBO. Для определения взаимодействий между нанотрубкой и атомами подложки авторы применили простой потенциал Леннарда-Джонса. Все вычисления они проводили в программном пакете LAMMPS. Выбор исследователей пал сразу на несколько типов углеродных нанотрубок с различными индексами хиральности, включая зигзаг (9.0), хиральные (8.2), (7.3), (6.4) и кресельную (5.5). Они оценили влияние диаметра, температуры и длины нанотрубок на тип их поверхностного движения. Согласно полученным результатам, нанотрубки предпочитают двигаться перпендикулярно своей главной оси, при этом их вращение не является преимущественным видом движения, в основном они “скользят” по поверхности золота. Увеличение диаметра приводит к более строгой направленности движения за счет усиления взаимодействия с поверхностью. Однако, для нанотрубок с большими диаметрами, например, с индексами хиральности (10.0) и выше, сильное притяжение между УНТ и поверхностью золота делает границу раздела плоской и уменьшает прямолинейность траектории нанотрубки. Авторы также рассмотрели движение УНТ при различных температурах. В диапазоне от 5 до 600 К установлено три режима. При температуре 50 К и ниже нанотрубки испытывают одномерные малые смещения. При повышении температуры нанотрубки сохраняют свое однонаправленное движение, но пройденный путь заметно увеличивается. При температуре свыше 300 К нанотрубки способны менять заданное направление движения. При этом они непрерывно вращаются вокруг своей оси. Тем не менее, несмотря на значительную скорость вращения при высоких температурах, оно не вносит существенного вклада в перемещение трубки по поверхности из-за постоянной смены направления вращения. Увеличение длины УНТ также играет на руку прямолинейности движения. Так, нанотрубки длиной от 3 до 11 Å способны менять направление движения и перемещаться в двух измерениях. Нанотрубка длиной 15 Å уже менее подвержена изменению направления движения. При увеличении длины до 20 Å и более нанотрубки сохраняют свое первоначальное направление движения и перемещаются лишь в одном измерении. По мнению авторов, для эффективного управления наномашиной на колесах из УНТ необходимо грамотно комбинировать температурные эффекты и длину нанотрубки. Кроме того, в работе приводится сравнительный анализ нанотрубок (4,0), фуллеренов C₆₀ и p-карборанов в качестве колес наномашин (рис. 2).

Рис. 2. Гипотетический наноавтомобиль с колесами из углеродных нанотрубок в сравнении с наноавтомобилями на основе фуллеренов и p-карборана. Ожидается, что наноавтомобиль на основе нанотрубок способен двигаться прямолинейно, не уступая при этом в подвижности другим типам наномашин.

Авторы установили, что УНТ демонстрируют более прямолинейное движение, при этом подвижность всех этих систем практически одинакова. В заключении исследователи предлагают свое видение наноавтомобиля, построенного на шасси из углеродных материалов и колесах из УНТ, и, возможно, уже в недалеком будущем мы окажемся свидетелями зрелищной борьбы за подиум в “Nano Formula One” или “Nano MotoGP”.

М. Маслов

1. M.Kianezhad et al., Int. J. of Mechanical Sciences 217, 107026 (2022).