ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В статье рассматриваются методика и результаты молекулярно-динамического моделирования диффузии углеродных нанотрубок в воде. Целью работы являлось изучение продольной и поперечной относительно оси нанотрубки диффузии гибких нанотрубок, определение автокорреляционных функций скорости и коэффициентов диффузии в этих направлениях. Взаимодействие молекул воды друг с другом описывалось потенциалом Леннард–Джонса, а молекул углеродной нанотрубки – потенциалом AIREBO. Диаметры нанотрубок принимали значения 1,15 и 1,44 нанометра, их длина варьировалась от 5 до 15 нанометров. Количество молекул воды в ячейке моделирования достигало ста тысяч. Показано, что автокорреляционная функция скорости центра масс нанотрубки в продольном направлении затухает существенно медленнее, чем в поперечном. Соответствующие значения коэффициентов диффузии различаются в 2–4 раза, это различие возрастает при увеличении отношения длины нанотрубки к ее диаметру. Осредненный по направлениям коэффициент диффузии гибких нанотрубок уменьшается с увеличением длины нанотрубок. Его значения превышают соответствующие значения для твердых аналогов этих нанотрубок. Обнаружено немонотонное затухание автокорреляционной функции скорости центра масс нанотрубок. Характерное время между точками перегиба этой функции совпадает с периодом изгибных колебаний нанотрубки.

1. Колмаков А.Г., Баринов С.М., Алымов М.И. Основы технологий и применение наноматериалов. – М.: Физматлит, 2012. – 208 с.
2. Saeed Ê., Ibrahim Ê. Carbon nanotubes–properties and applications: a review // Carbon Letters. – 2013. – Vol. 14 (3). – P. 131–144. – DOI: 10.5714/CL.2013.14.3.131.
3. Лозовик Ю.Е., Попов А.М. Образование и рост углеродных наноструктур – фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов // Успехи физических наук. – 1997. – Т. 167 (7). – С. 751–774.
4. Diffusion of single-walled carbon nanotube under physiological conditions / J. Judkins, H.H. Lee, S. Tung, J.W. Kim // Journal of Biomedical Nanotechnology. – 2013. – Vol. 9 (6). – P. 1065–1070.
5. Rudyak V.Ya., Tretiakov D.S. On diffusion of single-walled carbon nanotubes // Thermophysics and Aeromechanics. – 2020. – Vol. 27. – P. 847–855. – DOI: 10.1134/S0869864320060062.
6. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. – М.: Наука, 1990. – 176 с.
7. Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation. – New York: Cambridge University Press, 2004. – 549 p.
8. Rudyak V.Ya., Kharlamov G.V., Belkin A.A. Diffusion of nanoparticles and macromolecules in dense gases and liquids // High Temperature. – 2001. – Vol. 39 (2). – P. 264–271. – DOI: 10.1023/A:1017578917614.
9. Mejía-Rosales S. Mechanical properties of MoS₂ nanotubes under tension: a molecular dynamics study / S. Mejía-Rosales, S.A. Sandoval-Salazar, A. Soria-Sánchez, L.Y. Cantú-Sánchez // Molecular Simulation. – 2021. – Vol. 47 (6). – P. 471–479. – DOI: 10.1080/08927022.2021.1880577.
10. Dong R., Cao B. Investigation of rotational diffusion of a carbon nanotube by molecular dynamics // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2015. – Vol. 15. – P. 2984–2988.
11. Belkin A.A., Rudyak V.Ya., Krasnolutskii S.L. Molecular dynamics simulation of carbon nanotubes diffusion in water, molecular simulation // Molecular Simulation. – 2022. – Vol. 48. – P. 752–759. – DOI: 10.1080/08927022.2022.2053119.
12. H¨unenberger P.H. Thermostat algorithms for molecular dynamics simulations // Advances in Polymer Science. – 2005. – Vol. 173. – P. 105–149. – DOI: 10.1007/b99427.
13. LAMMPS – a flexible simulation tool for particle-based materials modelling at the atomic, meso, and continuum scales / A.P. Thompson, et al. // Computer Physics Communications. – 2022. – Vol. 271. – P. 108171. – DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
14. Собственные частоты изгибных колебаний углеродных нанотрубок / С.В. Дмитриев, И.Р. Сунагатова, М.А. Ильгамов, И.С. Павлов // Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91 (11). – С. 1732–1737.