De monocamadas de grafino e grafidino a estruturas enroladas : explorando o transporte térmico em nanorolos

Abstract

Resumo: Grafinos e grafidinos são membros da família de alótropos de carbono 2D caracterizados por exibirem átomos de carbono com hibridização sp e sp2. A principal diferença entre esses materiais é o número de grupos acetilênicos (um e dois para grafinos e grafidinos, respectivamente). Propostos teoricamente em 1987 por Baughman e colaboradores, apenas recentemente algumas estruturas foram sintetizadas experimentalmente. Uma topologia desses materiais, pouco explorada em estudos sobre propriedades térmicas, são os chamados nanorolos, que são obtidos enrolando estruturas planares em uma topologia semelhante a um papiro. Neste trabalho, simulações de Dinâmica Molecular de Equilíbrio foram realizadas para o grafeno (como referência), grafino (??, ??,??) e grafidino (??, ??,??) para explorar suas condutividades térmicas (??) em diferentes topologias: estruturas planas e enroladas. As interações entre as partículas foram descritas pelo campo de força reativo AIREBO e as relações de Green-Kubo para propriedades de transporte foram utilizadas para calcular ?? através da integração da função de autocorrelação do fluxo de calor. Nossos resultados mostram que grafinos e grafidinos exibem ?? cerca de uma a duas ordens de grandeza menor que o grafeno. A presença de grupos acetilênicos degrada significativamente a condutividade térmica, que é reduzida drasticamente do grafeno (com a maior densidade) para o ??-grafidino (com a menor densidade). Dentre os diferentes grafinos e grafidinos, o tipo ?? possui os maiores valores de ??. Os resultados sugerem que o enrolamento e periodicidade afetam consideravelmente o transporte térmico, com os nanorolos apresentando menor desempenho em conduzir calor ao longo do seu eixo axial, em comparação com as nanofitas que os originaram. Além disso, a condutividade térmica diminui à medida que a temperatura aumenta (até 500 K), de acordo com uma lei de potência (?? ~ ?? -??), exceto para os nanorolos. Esse desvio surge da sensibilidade de ?? às variações na configuração estrutural dos nanorolos, um parâmetro que oscila com mudanças de temperatura. Essas descobertas podem ter aplicações no gerenciamento térmico e termoelétrico de nanodispositivos baseados nesses materiais.

Abstract: Graphynes and graphdiynes are members of the 2D carbon allotrope family characterized by exhibiting both sp and sp2 hybridized carbon atoms. The main difference between graphynes and graphdiynes are the number of acetylenic groups (one and two for graphynes and graphdiynes, respectively). Theoretically proposed in 1987 by Baughman and co-workers, only recently have some structures been experimentally realized. A topology of these materials, little explored in studies on thermal properties, is called nanoscrolls, which are structures obtained by rolling up flat structures into a papyrus-like topology. In this work, Equilibrium Molecular Dynamics simulations were carried out on graphene (as benchmark), graphyne (??, ??,??) and graphdiyne (??, ??,??) to explore their thermal conductivities (??) in different topologies: flat and rolled up structures. The atomistic pair interactions were described by the reactive force field AIREBO and the Green-Kubo relations for transport properties were used to calculate ?? through integration of the heat flux autocorrelation function. Our results show that graphynes and graphdiynes exhibit ?? approximately one to two orders of magnitude lower than graphene. The presence of the acetylenic groups significantly degrades thermal conductivity, which is strongly reduced from graphene (with the highest density) to ??-graphdiyne (with the lowest density). Among the various graphynes and graphdiynes, the ?? type has the highest values of ??. Our findings suggest that scrolling and periodicity considerably affect thermal transport, with nanoscrolls showing lower performance in conducting heat along their axial axis compared to the nanoribbons from which they were originated. Additionally, thermal conductivity decreases as temperature increases (up to 500 K), following a power law (?? ~ ?? -??), except for nanoscrolls. This deviation arises from the sensitivity of ?? to variations in the structural configuration of nanoscrolls, a parameter that fluctuates with changes in temperature. These findings may have applications in the thermal and thermoelectric management of nanodevices based on these materials.