A Reactive Molecular Dynamics Study on the Mechanical Properties of a Recently Synthesized Amorphous Carbon Monolayer Converted into a Nanotube/Nanoscroll

碳拥有一种构建未来的独特天赋。从铅笔中的石墨到戒指中的钻石，这种单一元素可以自我排列成性格迥异的结构。在纳米技术领域，科学家们长期以来一直痴迷于由碳原子构成的两种特定形状：微小的管状结构和螺旋状卷轴。这些结构因其惊人的强度和导电能力而备受青睐，使其成为从更快的计算机芯片到更高效的太阳能电池板等各种领域的潜在候选材料。然而，这些形状最完美的版本往往难以在不产生缺陷的情况下制造出来。最近，研究人员发现了一种制造新型碳材料的方法，这种材料本质上是无序的，由大小不一的原子环组成，而不是形成完美的重复模式。这种被称为非晶碳（amorphous carbon）的材料提供了一条不同的前进路径。科学家们面临的一个重大问题是，这种杂乱、不规则的碳在卷成管状或卷轴状时是否仍能保持完整，以及它的强度与我们已知的完美有序版本相比如何。

来自巴西的一个研究小组致力于通过创建这些新材料的详细计算机模拟来回答这个问题。他们并没有在实验室里制造物理管状结构；相反，他们使用一个强大的数字模型来观察单个原子在极端条件下的行为。他们从一种新合成的非晶碳平整片开始，这种材料是由五、六、七和八个原子组成的随机混合环构成的。从这张片材中，他们虚拟构建了两种形状：一种是纳米管，即圆柱体；另一种是纳米卷轴，看起来像是一卷两端开口的纸。为了测试它们的极限，研究人员使这些数字结构承受了两种类型的应力。首先，他们将它们拉开，以观察它们在断裂前能拉伸多长。其次，他们对其进行加热，以观察它们在什么温度下会熔化并瓦解。通过将这些非晶版本与它们完美的、有序的对应物进行比较，该团队希望了解这种无序材料的自然状态会使其变得脆弱，还是它仍能经受住现实世界应用的挑战。

模拟结果揭示了这些材料在承受拉力时表现出的有趣差异。当完美的、有序的管状和卷轴结构被拉伸时，它们保持稳固，直到达到一个临界点，随后突然且干净利落地断裂。然而，非晶版本表现得不同。在最终断裂之前，它们进入了一个奇怪的非弹性阶段，即它们开始以一种完美结构不会发生的方式发生形变。在拉伸过程中，研究人员观察到材料内部形成了微小的碳原子线性链，这表明其内部结构正在压力下进行重组。在强度方面，完美的结构更强韧。有序的纳米管可以在断裂前拉伸其原始长度的约4解48%，而非晶纳米管在大约27%时断裂。同样，有序的卷轴可以承受约34%的拉伸，而非晶卷轴在约24%时失效。这证实了虽然无序材料仍然很强，但其对张力的抵抗力并不如完美的版本。

或许最令人惊讶的发现是，对于非晶材料而言，物体的形状所起的作用比对于完美的结构而言要小。对于有序结构，是管状还是卷轴状在应对应力时会产生巨大的差异，这表明几何形状在它们的行为中起着重要作用。然而，对于非晶版本，管状和卷轴状的表现几乎相同。原子的内部混乱似乎抵消了形状的影响，使得无序成为了决定材料行为的主导因素。这表明，当碳原子随机排列时，它们被卷起的方式变得不再那么重要，重要的是它们本身是无序的。

该研究还观察了这些结构在剧烈热量下的生存能力。研究人员将数字模型从室温加热到10,000开尔文，这是一个远高于太阳表面的温度。他们观察了固体结构何时失去形状并转变为气态。有序纳米管证明是最耐热的，在达到6,300开尔文之前仍能保持稳定。非晶纳米管的稳定性略低，在5,500开尔文时熔化。卷轴（无论是有序还是无序）都比管状结构不稳定，分别在5,900开尔文和5,100开尔文时熔化。这表明，虽然非晶结构比其完美的对应物略微缺乏耐热性，但它们仍然拥有卓越的热稳定性，能够承受足以摧毁大多数其他材料的高温。

最终，这项工作为这种新型、杂乱的碳在被塑造成有用的纳米结构时表现如何提供了清晰的图景。模拟显示，虽然这些非晶管和卷轴在强度或耐热性方面不及完美版本，但它们仍然非常强韧。材料中的无序性使得形状变得不再那么重要，这实际上可能是一个优势，因为它可能允许在制造过程中在无需维持完美原子排列的情况下获得更大的灵活性。研究证实，这种最近合成的碳是未来技术的有力候选材料，它提供了一种强度与稳定性之间的平衡，可以作为现有碳基纳米材料家族的补充。