Все дело в бутерброде
Все дело в бутерброде

Странное поведение нового композита с графеном изучили на модели

Ученые Института математических проблем биологии РАН смоделировали пьезоэлектрические свойства нового композитного материала с графеном.  Работа опубликована в Journal of Molecular Modeling.

Бум на исследования, посвященные созданию новых материалов с графеном вполне объясним – любое открытие в этой области может перевернуть старые технологии!

А теперь немного вспомним физику. Пьезоэлектриками называют вещества, при деформации продуцирующие электричество. Это связано с упругим смещением электрических зарядов в молекулярной структуре под действием внешней силы. Однако есть и обратный пьезоэффект, когда материал сжимается или растягивается в электрическом поле. Пьезоэлектрики давно применяются в технике - пьезодатчиках, пьезосенсорах. Например, в датчиках давления, пироэлектрических матрицах для тепловизоров и многом другом. Сейчас им находят новые применения. К примеру, встраивают пьезогенератор в подошву обуви - человек ходит и при этом вырабатывает электричество.

После синтеза графен оказывается не абсолютно чистым, и включает в себя структуры оксида графена. В его гексагональную структуру, помимо углерода (С), входят атомы кислорода (О), водорода (Н) и  азота (N).

В 2012 году пьезоэлектрические свойства были открыты у одной из разновидностей графена. В свою очередь, композиты на основе полимера поливинилиденфторида (ПВДФ) отличаются высокими пьезоэлектрическими коэффициентами по сравнению с другими полимерными материалами. Поэтому появилось мнение, что графеновые частицы, встроенные в полимерную матрицу на основе ПВДФ, обеспечат большую электромеханическую и пироэлектрическую активность.

Исследователи из Московского института электронной техники под руководством Игоря Бдикина и Максима Силибина собрали тонкую композитную пленку поливинилиденфторида (ПВДФ) и политрифторэтилена (ПТФЭ) с добавлением графена и оксида графена (GO). Однако вместо ожидаемого увеличения получили уменьшение пьезоэлектрического эффекта!

Тогда Группой компьютерного моделирования наноструктур Института математических проблем биологии (ИМПБ) РАН под руководством Владимира Быстрова свойства нового материала были исследованы с помощью модели.

Сначала там построили компьютерную модель молекулярной цепи ПВДФ и ее поведения в электрическом поле. Владимир Быстров поясняет: «Молекулярная структура всегда стремится занять состояние энергетического минимума. Программа HyperChem позволяет находить это состояние. Затем на цепочку полимера накладывается имитация электрического поля и наблюдается, как деформируется цепочка. При отсутствии поля выгодно одно расположение молекул, при наличии - другое. По изменению высоты расположения молекул цепочки мы вычислили пьезоэлектрический коэффициент».

Цепочка полимера ПВДФ состоит из атомов водорода (Н), углерода (С) и фтора (F). Поскольку водород и фтор образуют диполь, имеющий заряды равные по величине и противоположные по знаку, между ними возникает направленный перпендикулярно цепочке дипольный момент. Сначала в модели нашли оптимальную конфигурацию без внешнего электрического поля, определили начальные оптимальные высоты цепи ПВДФ в ее центральной области (h1 и h2 на рис. b). После этого приложили электрическое поле и нашли оптимальную геометрию под действием электрического поля: цепочка сжалась и растянулась. В результате сравнения (рис. с) новых оптимизированных параметров (h1 и h2) с их начальными значениями (h10 и h20) получили значения деформации цепи и вычислили пьезокоэффициент.

Далее ученые построили модель с добавлением графена. Были проведены расчеты для самой простой гексагональной решетки с 54 атомами углерода (Gr54) и расположенными с разных сторон от нее цепочками полимера. Программа нашла оптимальное расстояние между слоями - оно оказалось около 4 ангстремов, и рассчитала пьезокоэффициент при наложении электрического поля.

Результаты компьютерной модели совпали с результатами эксперимента: двуслойный композит из полимера и графена снижает пьезоэлектрический коэффициент.

Поскольку в эксперименте использовался не чистый графен, а оксид графена, ученые рассмотрели более сложные решетки с группами OH, COOH и атомами азота, которые, как правило, входят в состав оксида графена после его синтеза. Таким образом, были построены еще несколько простых моделей для системы ПВДФ /оксид графена.

Пьезоэлектрические коэффициенты, рассчитанные для модели Gr54 / ПВДФ, оказались примерно в три раза ниже, чем для чистой цепочки ПВДФ! Таким образом, моделирование подтвердило результат эксперимента.

Владимир Быстров прокомментировал это так: «Первоначально в цепи ПВДФ присутствуют диполи, однако электрически индуцированные диполи присутствуют и в слое графена. Таким образом, слой графена экранирует диполи цепи ПВДФ от влияния электрического поля. Когда состав оксида графена или его ориентация относительно цепи ПВДФ изменяются, пьезоэлектрический коэффициент также изменяется, но основная тенденция остается той же.  Интересно, что угол поворота решетки в своей плоскости влияет на величину пьезоэлектрического коэффициента».

Тогда исследователи решили смоделировать поведение композита типа «сэндвич», в котором слои оксида графена занимают положение с обеих сторон цепи ПВДФ. И вот в этой модели пьезокоэффициент получился выше.

Согласно компьютерному моделированию, только трехслойный «сэндвич» из полимера и графена может усилить пьезоэффект.

В натурном эксперименте графен присутствовал в ПВДФ в количестве 1% в виде отдельных фрагментов. В результате ПВДФ взаимодействовал с GO только с одной стороны цепи. Это уменьшило пьезоэлектрический коэффициент.

При увеличении концентрации GO выше 1% в композите начинают образовываться сэндвич-кластеры. Эти кластеры, скорее всего, похожи на компьютерную модель сэндвича.  Двухслойная структура ПВДФ / GO приводит к уменьшению пьезокоэффициента, а структура сэндвича GO / ПВДФ / GO дает усиленный пьезоэлектрический отклик.

«Для меня было неожиданно, что самый простейший модельный подход позволит предугадать поведение структуры. В дальнейших экспериментах необходимо подробно исследовать взаимные ориентации, количество и изменения порядка слоев GO и ПВДФ» - подвел итог Владимир Быстров.

Теперь химики проверят в эксперименте выводы, полученные при моделировании.

Найден кризисный жучок Далее в рубрике Найден кризисный жучокБиолог из МГУ обнаружил в испанском янтаре новый род жуков

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Анализ событий России и мира
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях и читайте статьи экспертов
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»