全文速览硼氮碳纳米管（BoronNitrogen-Carbonnanotube:BN-CNT）可由B、N原子取代碳纳米管上的C原子进行随机或有序掺杂形成，通过改变B、N原子的数量能够控制所得到BN-CNT的性质，由于碳纳米管和氮化硼纳米管之间力学性能的差异，当复合硼氮碳纳米管的横截面同时包含碳区和B-N区时，其刚度和强度等力学性能表现出各向异性，导致其具有不同的动力学行为。这对于设计具有方向敏感动力学行为的纳米天平具有重要意义。在本工作中，我们构建了两端固定的硼氮碳纳米管，采用高速C60冲击纳米管质心的方式对其非线性动力学特性进行了研究。该硼氮碳纳米管的横截面对称地包含两个硼氮区和两个碳区，它们分别占整个纳米管中原子的40%和60%。在高速C60与纳米管质心发生碰撞后，利用分子动力学模拟和快速傅里叶变换方法评估纳米管的动力学行为。计算结果表明，硼氮碳纳米管的动力学特性取决于C60入射速度（vIn）入射角度(θ)。当vIn高于临界值时，在C60与纳米管碰撞后，纳米管将产生损伤。损伤位置和临界值取决于入射角度。如果vIn低于临界值时，梁质心振动的一阶频率较低。二阶频率取决于纳米管中心横截面的形状。本研究为设计新型可调谐的纳米质量传感器提供了一种策略，并提出硼氮碳纳米管作为纳米质量传感器来测量高速粒子是可靠的。图文解析图1两端固定式硼氮碳纳米管受C60碰撞的模型图如图1a所示纳米管两端固定形成两端固定式纳米梁，模型原子总数为个，其中60%的原子为碳原子，共个，20%为硼原子，共个，剩余20%为氮原子。纳米管质心位于坐标原点，C60质心和纳米管质心距离为3nm。梁的中心截面在xoy平面上，z轴是沿纳米管长度方向的坐标轴。纳米管横截面被分成四个区域（图1b），其中Ⅰ、Ⅲ两区为碳原子区域，Ⅱ、Ⅳ两区为硼氮原子区域。vIn和vRe分别是C60的入射速度和反射速度，θ为xoy平面内，C60和纳米梁质心连线与x轴的夹角。C60的入射路径在xoy平面内，沿着与x轴的夹角为θ的方向入射。当θ=0°时，C60沿与x轴相反方向运动。当θ=90°时，其入射路径沿与y轴的方向相反。图2纳米梁被C60以32?/ps和38?/ps的速度碰撞的快照图2a显示了C60和纳米梁在20.5-23ps内的碰撞过程。可以看出，在纳米梁中，当vIn=32?/ps时，在C60上的区域（I区）在第一个0.5ps处有很大的变形。在C60被反弹回来后，变形区域由I区转变为Ⅲ区。根据纳米梁局部原子应力分布图看出，在其中心部位处于严重的张力状态；同时，Ⅲ区的边缘受到了压缩使其局部应力为负值。当vIn=38?/ps时，纳米梁中I区的两条边缘所受的拉应力（例如在22.45ps处）比相同区域受到的拉应力(vIn=32?/ps)更大。因此，我们可以预测，一定有一个临界的入射速度，在该速度下，纳米梁I区的边缘会受到损伤。梁在两个速度下的原子应力分布图表明，应力波由冲击部位中心向梁的两端传递，当传递到两端后，梁的固定端部位呈现应力集中状态，当入射速度达到临界速度后，梁的振幅更大，同时这种应力集中的现象更加显著，从而引起局部的破坏现象。为了显示纳米梁的中部在振动过程中的变形，图2b给出了截面中心部分的十个环在碰撞后一段时间内的构型变化图，横截面看起来就像周期性呼吸中的嘴，这被称为纳米梁受冲击后的呼吸振动，呼吸振动的幅度逐渐减小。因此，梁的总振动包括三个方面，即整个梁的横向振动、每个环的呼吸振动和每个环中原子的热振动。图3纳米梁的动态响应。(a)纳米梁受C60沿0°入射路径冲击后的一阶频率与入射速度曲线，入射速度不小于20?/ps；(b)纳米梁与C60之间的碰撞过程，速度为42.2?/ps和42.3?/ps。梁的质心O*的振动和轴向原子应力在-40GPa和40GPa之间的云图。使用FFT方法，我们获得了C60以20?/ps至50?/ps的速度冲击下梁的一阶频率。根据一阶频率值的变化，图3a中的曲线包含三个阶段。在阶段I中，即C60的入射速度在20?/ps和34?/ps之间，一阶频率曲线在线性下降。在第Ⅱ阶段，一阶频率值值从35?/p下的.41GHz线性降低到42.2?/ps下的.84GHz。在这个阶段，一阶频率值比第一阶段的下降得快。在第Ⅲ阶段，纳米梁边缘受到破坏，不能进行有规律的振动。在阶段II和阶段III之间，将C60的入射速度略微增加0.1?/ps，一阶频率值将从.84GHz急剧下降到.74GHz。因此，我们认为42.2?/ps是C60的最大入射速度，在此速度下，纳米梁可以在碰撞后保持完好无损。为了显示C60碰撞下纳米梁的损伤过程，图3b中显示了梁的构型变化快照，在20.35ps和21.95ps之间，两个不同的入射速度下梁表面受冲击产生的变形和轴向原子应力云图都没有明显的差异。然而，在22.35ps时，当具有vIn=42.3?/ps速度的C60反弹时，纳米梁中的区域I的边缘（Z=7.42nm处）被破坏，而同时刻在42.2?/ps入射速度下的梁仍保持完好。根据振动曲线（蓝色曲线）表明，损坏的纳米梁具有较长的振动周期，即较低的振动频率，其振幅迅速减小。碰撞过程中，梁的应力发生变化，峰值出现在梁的两端。虽然在C60以42.2?/ps速度冲击下的梁是稳定的，但两端的拉应力非常接近临界值。而当C60以42.3?/ps入射速度冲击纳米梁后，和梁接触发生碰撞造成梁的端部数个键的断裂，而梁的其他部分保持完好。图4当vIn=48.6?/ps时，C60与纳米梁碰撞时梁的轴向应力分布结构图图4中的快照说明了纳米梁和C60之间的碰撞过程，其中当vIn=48.6?/ps时碰撞从20.2ps开始，梁的中心部分在20.53ps处具有大的变形。应力波在21.35ps时到达纳米梁的两端。此刻纳米梁仍未受损。当应力波到达末端时，梁的中间部分碳和氮原子之间的键在21.8ps发生断裂，使其键长拉伸到2.2?以上的距离而使两个原子失去相互作用效应。不久之后，应力波的反射发生，纳米梁的中间部分开始反弹。在25.09ps时，纳米梁的质心沿y方向具有最大的偏转。梁的应力集中区域发生在靠近固定端部位和中心区域部位，这两个区域也是容易发生破坏的部位。图5受C60冲击的纳米梁质心的横向振动和θ=90°时梁质心振动的FFT分析结果图5给出了纳米梁质心YO*的振动和FFT结果。图5a和图5c中受损或未损坏纳米梁的振动曲线是规则的，它们的振幅阻尼因子略有不同。它们一阶频率值之间的差异表明损坏的梁具有较低的刚度，在48.5?/ps速度下的二阶频率为GHz，在48.6?/ps速度下的二阶频率为.82GHz，由于梁刚度的降低，导致梁在48.6?/ps速度下的二阶频率的值下降。图5中二阶频率和一阶频率之比约为4.4，高于图5所示二阶频率和一阶频率之间的比率。这是由于梁在yoz平面部分的刚度高于xoz平面部分的刚度所导致的。结论我们通过固定BNC纳米管的两端，构建了两端固定式的硼氮碳纳米梁。采用分子动力学方法，通过高速C60撞击纳米管的中心部分对纳米管的动力学响应进行模拟，并采用FFT方法获得了碰撞后纳米管的特征频率。1.由于区域II和IV中硼氮键的分布，使纳米梁的横截面关于z轴的旋转对称。在纳米梁和C60碰撞后，梁产生横向振动。梁的振动包括三个方面，即整个梁的横向振动，每个横截面的局部呼吸振动，以及每个横截面中原子的热振动。梁的一阶频率表示横向振动对整个振动的贡献，二阶频率代表呼吸振动对整个振动的贡献。梁上原子的热振动会导致振幅的衰减。2.未损坏纳米梁质心的一阶频率值取决于C60的入射速度值，较高的入射速度将导致较低的一阶频率值，纳米梁的破坏引起了频率曲线第Ⅲ阶段一阶频率值的陡降，同时也使高阶频率值发生下降。3.当采用本模型设计原子级分辨率的质量传感器时，利用原位FFT频谱，纳米梁可以检测已知入射速度的分子质量，或者检测已知分子的入射速度。这种方法为质量传感器的设计与应用提供了思路。预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇
