SUPERVISOR
Seyed Ailreza Shahidi rizi,Saeed ZeiaeiRad
سید علیرضا شهیدی ریزی (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Mahdi Zaeri
محمدمهدی زائری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Simulation of the Mechanical Behavior of Graphene Based Nanostructures Using Molecular Methods
With the advent of nanotechnology, a wide new field of research in various sciences and technologies has been opened for more than two decades. Discovery and production of different nanomaterials and determination of the behavior of matter at nanoscale are among the pillars of this technology. Therein, the realm of nanomechanics is of particular importance since many applications of nanomaterials and nanosystems are dependent on their mechanical properties. In order to expand nanomechanics, the objective of the present dissertation is modeling and simulation of the mechanical behavior of some graphene based nanostructures. Specifically, three subtopics were selected in this regard: (a) Elastic simulation of carbon nanoscroll using molecular structural mechanics approach. In this part, first the geometry of this nanostructure was generated through coding. Then, establishing connection between the chemical properties of atomic bonds on the one hand and the mechanical properties of structural elements on the other hand, the nanostructure was made equivalent to a structural system which was analyzed via finite element method to determine its elastic properties. The effect of geometrical parameters as well as van der Waals forces on the properties was also studied. Young’s modulus of about 1100 GPa and shear modulus of near 500 GPa are among the results of this part. (b) Simulation of loading of carbon nanotube via molecular dynamics method. In this part, in addition to generation of the geometry, codes were developed to identify the interatomic interactions including bonds, angles, dihedrals and impropers. These interactions were defined quantitatively applying a force field. Next, utilizing molecular dynamics technique and through the three ways of applying strain, force or stress, the model was simulated under loading. Elastic constants (the elements of the stiffness tensor), elastic moduli and Poisson’s ratios for single-walled carbon nanotubes having various geometries were derived and compared with the literature. The effect of nonlinearity of the interatomic potentials was investigated as well. (c) Simulation of the elastic behavior of carbon nanocoil through molecular dynamics method. In this part, the geometry of the intended nanostructure which is more complicated than those of the previous two parts due to the existence of pentagonal and heptagonal carbon rings in addition to hexagonal ones, was created with the aid of finite element mesh generator. Then, again using molecular dynamics technique but this time applying a bond order potential function, the model was simulated subject to tension, its spring constant was calculated and the effect of structural parameters was examined. The obtained results for spring constant fall in the range of 4.4-42.4 N/m. These results are in agreement with other theoretical values reported but are higher than experimental values. The reason behind this discrepancy was discussed. Overall, this dissertation presents examples of modeling nanostructures and application of molecular methods to obtain their mechanical properties. Keywords : nanomechanics, molecular structural mechanics, molecular dynamics simulation, finite element method, graphene, carbon nanoscroll, carbon nanotube, carbon nanocoil, elastic properties.
با ظهور فناوری نانو، بیش از دو دهه است که عرصه نوین وسیعی برای تحقیق در علوم و فنون مختلف گشوده شده است. کشف و تولید نانومواد گوناگون و تعیین رفتار ماده در مقیاس نانو از ارکان اصلی این فناوری محسوب می شود. حوزه نانومکانیک در این میان از اهمیت ویژه ای برخوردار است چرا که بسیاری از کاربردهای نانومواد و نانوسیستم ها وابسته به خواص مکانیکی آنهاست. در راستای گسترش دانش نانومکانیک، هدف رساله حاضر مدل سازی و شبیه سازی رفتار مکانیکی برخی نانوساختارهای مبتنی بر گرافن است. به طور مشخص، در این رابطه سه زیرموضوع انتخاب گردید: (الف) شبیه سازی الاستیک نانوطومار کربنی با استفاده از روش مکانیک سازه ای مولکولی. در این قسمت ابتدا هندسه نانوساختار مورد نظر با کدنویسی تولید شد. سپس با برقراری ارتباط میان خواص شیمیایی پیوندهای اتمی از یک سو و خواص مکانیکی المان های سازه ای از سوی دیگر، نانوساختار با یک سیستم سازه ای معادل سازی شد و به کمک روش اجزاء محدود مورد تحلیل قرار گرفت تا خواص الاستیک آن به دست آید. اثر پارامترهای هندسی و نیروهای واندروالسی بر خواص نیز مطالعه گردید. مدول یانگ حدود 1100 GPa و مدول برشی حدود 500 GPa از نتایج این قسمت است. (ب) شبیه سازی بارگذاری نانولوله کربنی از طریق روش دینامیک مولکولی. در این قسمت علاوه بر تولید هندسه، کدهایی نوشته شد که اندرکنش های مختلف بین اتم ها شامل پیوند ها، زاویه ها، دووجهی ها و ناسره ها را شناسایی نماید. این اندرکنش ها با بهره گیری از یک میدان نیرو به صورت کمی تعریف شد. سپس با استفاده از روش دینامیک مولکولی و از سه طریق اعمال کرنش، نیرو و تنش، مدل تحت بار شبیه سازی گردید. ثوابت الاستیک (درایه های تانسور سختی)، مدول های الاستیک و ضرایب پواسون برای نانولوله های کربنی تک دیواره با هندسه های گوناگون استخراج و با متون علمی مقایسه گردید. به علاوه، اثر غیرخطی بودن پتانسیل ها مورد بررسی قرار گرفت. (ج) شبیه سازی رفتار الاستیک نانومارپیچ کربنی به کمک روش دینامیک مولکولی. در این قسمت هندسه نانوساختار مورد نظر، که به خاطر دارا بودن حلقه های کربنی پنج ضلعی و هفت ضلعی علاوه بر حلقه های شش ضلعی پیچیده تر از نانوساختارهای دو قسمت قبلی است، به کمک مولد شبکه اجزاء محدود تولید شد. سپس مجدداً از طریق روش دینامیک مولکولی ولی این بار با استفاده از یک تابع پتانسیل مرتبه پیوندی، مدل تحت کشش شبیه سازی و ثابت فنر آن استخراج گردید و تأثیر پارامترهای ساختاری بر آن ارزیابی شد. نتایج حاصل برای ثابت فنر در بازه 4.4-42.4 N/m قرار دارد. این نتایج با سایر مقادیر تئوری گزارش شده هم خوانی دارد اما نسبت به مقادیر تجربی بزرگتر است که علت این اختلاف بررسی گردید. در مجموع، رساله حاضر نمونه هایی از نحوه مدل سازی نانوساختارها و کاربرد روش های مولکولی جهت استخراج خواص مکانیکی آنها را ارائه می دهد. کلمات کلیدی : نانومکانیک، مکانیک سازه ای مولکولی، شبیه سازی دینامیک مولکولی، روش اجزاء محدود، گرافن، نانوطومار کربنی، نانولوله کربنی، نانومارپیچ کربنی، خواص الاستیک.