Учёные из Института математических проблем биологии РАН успешно смоделировали изменение пьезоэлектрических свойств нового композитного материала с графеном. Компьютерное моделирование не только подтвердило неожиданные экспериментальные результаты, но и открыло перспективное направление для дальнейших исследований. Работа опубликована в авторитетном международном издании Journal of Molecular Modeling.
Новые материалы с уникальными свойствами
В последние годы значительный интерес в научном сообществе вызывают новые материалы с низкой плотностью, хорошей эластичностью, а также высокой пьезоэлектрической и пироэлектрической активностью. Особое внимание исследователей направлено на создание композиционных материалов на основе полимеров и наноструктур углерода, в частности графена и углеродных нанотрубок. Ожидается, что подобные соединения будут обладать необычными электрическими и механическими свойствами, которые откроют широкие возможности для их практического применения.
Такие материалы уже активно используются в различных пьезодатчиках и пьезосенсорах. Сегодня для них находят и принципиально новые инновационные применения. Одним из наиболее ярких примеров служат пьезогенераторы, встраиваемые в подошву обуви: человек просто ходит и при этом вырабатывает электричество. Подобные разработки демонстрируют колоссальный потенциал пьезоактивных композитов в области автономных источников энергии.
Эксперимент Московского института электронной техники
Исследователи из Московского института электронной техники под руководством Игоря Бдикина и Максима Силибина провели серию экспериментов по созданию нового пьезоактивного органического материала. Этот материал потенциально может быть использован в датчиках давления, а также в пироэлектрических матрицах для гражданского и военного применения. Основная цель исследований состояла в увеличении пьезоэлектрических свойств гибких полимерных композитов за счёт добавления графена и оксида графена.
Учёные изготовили композитную тонкую плёнку сополимера поливинилиденфторида (ПВДФ) и политрифторэтилена (ПТФЭ) с добавлением графена и оксида графена (GO). Однако в ходе эксперимента вместо ожидаемого увеличения пьезоэлектрического коэффициента исследователи зафиксировали его уменьшение. Этот неожиданный результат потребовал детального теоретического объяснения, и именно здесь на помощь пришли специалисты в области компьютерного моделирования.
Группа компьютерного моделирования наноструктур Института математических проблем биологии РАН под руководством Владимира Быстрова построила модель процесса, которая не только подтвердила результаты эксперимента, но и указала направление дальнейшего изучения материала. Это стало важным шагом к пониманию природы наблюдаемых явлений.
Модель пьезоэффекта и программный инструментарий HyperChem
Пьезоэлектриками называются вещества, в которых при приложении механических напряжений возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля. Это явление получило название прямого пьезоэффекта. Оно связано с упругим смещением электрических зарядов в молекулярной структуре вещества под действием внешних механических сил. Наряду с прямым пьезоэффектом существует и обратный: под воздействием приложенного электрического поля в пьезоэлектрике возникают механические деформации.
Композиты на основе поливинилиденфторида характеризуются высокими пьезоэлектрическими коэффициентами по сравнению с другими полимерными материалами. Именно поэтому исследователи ожидали, что графеновые частицы, встроенные в полимерную матрицу, обеспечат большую электромеханическую и пироэлектрическую активность. Однако эксперимент показал обратное, что и потребовало глубокого теоретического анализа.
Моделирование и вычислительные исследования композита позволили детально изучить механизмы изменения пьезоэффекта при добавлении графена к полимеру. Структуры были исследованы с использованием пакета программ HyperChem. Для начала была построена модель молекулярной цепи ПВДФ и её поведения в электрическом поле. Результаты вычислений пьезоэлектрических коэффициентов при различном напряжении совпали с экспериментальными данными, что подтвердило корректность выбранного подхода.
Владимир Быстров пояснил принцип работы: «Молекулярная структура всегда стремится занять состояние энергетического минимума. Программа HyperChem позволяет находить это состояние. Затем на цепочку полимера накладывается имитация электрического поля и наблюдается, как деформируется цепочка. Без поля выгодно одно расположение, в поле — другое. По изменению высоты расположения молекул цепочки можно вычислить пьезоэлектрический коэффициент».
Влияние графена на пьезоэлектрические свойства
После успешной верификации базовой модели исследователи перешли к следующему этапу: была построена модель с добавлением графена. Расчёты проводились для самой простой решётки с 54 атомами углерода (Gr54) и расположенными с разных сторон цепочками полимера. Программа нашла оптимальное расстояние между слоями — оно составило около 4 ангстрем — и рассчитала пьезокоэффициент при наложении электрического поля. Согласно расчётам, при добавлении графена пьезоэффект действительно уменьшался.
Поскольку в эксперименте использовался не чистый графен, а оксид графена, учёные рассмотрели более сложные решётки с группами OH, COOH и атомами азота, которые, как правило, входят в состав оксида графена после его синтеза. Таким образом, были построены ещё несколько простых моделей для системы ПВДФ / оксид графена и вычислены их пьезоэлектрические коэффициенты по тем же алгоритмам.
Пьезоэлектрические коэффициенты, рассчитанные для модели Gr54 / ПВДФ, оказались примерно в три раза ниже, чем для чистой цепи ПВДФ. Присутствие слоя графена снижает значение пьезокоэффициента, что полностью соответствует экспериментальным наблюдениям. Владимир Быстров прокомментировал этот результат: «Первоначально в цепи ПВДФ присутствуют диполи, и есть электрически индуцированные диполи в слое графена. Таким образом, слой графена экранирует диполи цепи ПВДФ от влияния электрического поля. Когда состав оксида графена или его ориентация относительно цепи ПВДФ изменяются, пьезоэлектрический коэффициент также изменяется, но основная тенденция остаётся той же. Интересно, что угол поворота решётки в своей плоскости влияет на величину пьезоэлектрического коэффициента».
Сэндвич-структуры открывают новые возможности
Исследователи провели расчёты ещё по одному типу моделей, получивших название «сэндвич». Такая конструкция содержала слои оксида графена с обеих сторон цепи ПВДФ. В этой модели пьезокоэффициент получился значительно более высоким, что стало важным открытием.
В эксперименте графен присутствовал в ПВДФ в концентрации 1% в виде отдельных фрагментов. Полученные результаты соответствовали первой модели, в которой ПВДФ взаимодействует только с оксидом графена на одной стороне цепи. Это уменьшает пьезоэлектрический коэффициент. В среднем композит неоднородный, поэтому точного совпадения между экспериментом и моделью нет, однако общая тенденция изменений отслеживается верно.
При увеличении концентрации оксида графена свыше 1% в композите начинают образовываться сэндвич-кластеры, по структуре напоминающие описанную модель. Таким образом, в композитах возникают два основных типа порядка: двухслойные структуры типа ПВДФ / GO и трёхслойные структуры типа GO / ПВДФ / GO. Было установлено, что двухслойная структура ПВДФ / GO приводит к уменьшению пьезокоэффициента, тогда как трёхслойная структура GO / ПВДФ / GO обеспечивает усиленный пьезоэлектрический отклик. Этот вывод открывает реальные пути к целенаправленному управлению свойствами композита.
Перспективы и сотрудничество с Институтом Кристаллографии
Результаты работы произвели впечатление даже на самих исследователей. Владимир Быстров поделился своими впечатлениями: «Для меня и для экспериментаторов было неожиданно, что самый простейший модельный подход позволил увидеть направление поведения этой структуры. При увеличении количества слоёв в модели коэффициент начал возрастать — следовательно, в дальнейших экспериментах необходимо подробно исследовать различные взаимные ориентации, различное число слоёв и изменения порядка слоёв оксида графена и ПВДФ».
Особые надежды учёный связывает с применением метода Ленгмюр-Блоджетт для нанесения молекулярных слоёв. По его словам, если бы экспериментаторы создали нанокомпозит именно в этой технике, получаемая структура была бы значительно более упорядоченной, и модель описывала бы её значительно точнее. Подобные методы разработаны в Институте Кристаллографии под руководством профессора Владимира Фридкина. Быстров выразил уверенность в том, что применение этих методов в данном направлении исследований — дело ближайшего будущего.
Таким образом, совместная работа теоретиков и экспериментаторов открыла новые горизонты в изучении пьезоактивных нанокомпозитов. Полученные результаты демонстрируют, что даже простейшие модельные подходы способны дать ценнейшие ориентиры для практических исследований, а грамотное сочетание компьютерного моделирования с лабораторным экспериментом позволяет значительно ускорить разработку материалов нового поколения.
Источник: scientificrussia.ru
