上海大学力学与工程科学学院Yang Chen等–温度诱导石墨烯纳米鼓切换形态的原子模拟

石墨烯悬浮在纳米腔的固体表面上可以形成纳米鼓结构，这种结构已被用于各种应用。在这里，利用分子动力学，我们证明了温度可以极大地改变纳米鼓的石墨烯的形态。特别是，一个临界温度决定了石墨烯是被吸引到纳米腔内还是悬浮在纳米腔上。这种现象的潜在机制是黏附能、应变能和熵能之间的竞争。我们还发现，临界温度随圆形纳米腔的半径线性增加。结果表明，临界温度取决于纳米腔的大小。石墨烯纳米鼓中温度诱导的可切换形态为热控材料纳米转换的发展提供了机会。

图1. 石墨烯在不同温度(R = 53 Å, D = 10 Å)下的形态(红色和蓝色)。红色和蓝色点代表在粘附和悬浮状态下两种不同石墨烯层的形态。(a)石墨烯粘附在空腔底部。(b)石墨烯从空腔底部分离。

图2. 鼓形结构(R = 53 Å, D = 10 Å)中温度诱导的石墨烯形貌切换过程。(a)初始构型。(b-d)分别为25、50、62.5 ps的构型。在低温(290 K，左图)下，石墨烯粘附在衬底底部，而在稍高的温度(300 K，右图)下，石墨烯从衬底底部脱落。(e)不同状态下石墨烯形态的自由能示意图。

图3. 临界温度与腔半径的关系(D = 10 Å)。该图也可以看作是温度相对于半径的相图。

图4. 在中间区域施加余弦力使石墨烯从腔体底部分离。

图5. 不同形态纳米鼓结构在不同空腔半径下(D = 10 Å， T = 10 K)的归一化系统自由能，水平黑色虚线表示初始结构(凹形态)为零基线。区域I和区域II分别表示粘附或悬浮状态。

图6. 鼓形结构的归一化体系自由能与石墨烯深度的关系。(R = 56 Å， T = 10 K)。

图7. 基于石墨烯鼓的热熔断器开关示意图。

相关研究成果由上海大学力学与工程科学学院、上海市应用数学与力学研究所、上海市能源工程力学重点实验室Yang Chen等人于2023年发表在Computational Materials Science。(https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2023.112102)上。原文：Atomistic simulations of temperature-induced switchable morphology in graphene nanodrum。