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Type: TESE DIGITAL
Title: Dinâmica molecular reativa de sistemas nanoestruturados
Title Alternative: Reactive molecular dynamics of nanostructured systems
Author: Sousa, José Moreira de, 1982-
Advisor: Galvão, Douglas Soares, 1961-
Abstract: Resumo: Com a revolução da nanotecnologia do carbono na comunidade científica houve um surgimento de uma nova era em ciência dos materiais. Essa nova era está direcionada no desenvolvimento sustentado de novos materiais com propriedades físicas e químicas superiores aos existentes. Por isso nanoestruturas formadas por átomos de carbono têm sido estudadas intensivamente nas últimas décadas como fulerenos, nanotubos de carbono e recentemente o grafeno. O grafeno é uma nanoestrutura 2D composta por átomos de carbono hibridizados em sp² em forma hexagonal compacta na espessura de um átomo de carbono. O grafeno é um nanomaterial de alta qualidade além de ser muito forte e leve, quase transparente e um excelente condutor de calor e eletricidade. O fato de não ter um gap eletrônico (semimetal), o torna limitado quanto à produção de alguns dispositivos eletrônicos, logo surgem novas buscas por novos nanomateriais com características iguais ou superiores ao grafeno, porém com propriedades semicondutoras. Por isso novos nanomateriais como siliceno, nitreto de carbono, grafinos e nanoestruturas derivadas (nanotubos baseado nos grafinos), entre outras, tem recebido bastante atenção em pesquisas teóricas e experimentais. De um ponto de vista teórico, vários métodos computacionais tem sido utilizados no estudo das propriedades físicas e químicas de nanoestruturas. As simulações computacionais de sistemas moleculares são de extrema importância, pois nos auxiliam na interpretação de resultados obtidos experimentalmente, onde através destes métodos temos acesso aos estados estruturais, eletrônicos e dinâmicos. Esses métodos podem ser tratados através de primeiros princípios (mecânica quântica) ou através de campos de força aplicados em métodos clássicos. Nesta tese de doutoramento utilizamos a técnica conhecida como Dinâmica Molecular, com o uso de um potencial reativo que permite a dissociação e a formação de ligações químicas em sistemas nanoestruturados. Portanto através desse método com o uso de um campo de força moderno estudamos as propriedades estruturais, mecânicas, padrões de fraturas e degradação em atmosferas gasosas de sistemas nanoestruturados compostos por átomos de carbono, nitrogênio e hidrogênio. No estudo da degradação em atmosferas gasosas realizamos um estudo dinâmico expondo nanotubos de carbonos com torções mecânicas e membranas de grafidinos em atmosferas gasosas compostas por átomos de hidrogênio. Para os nanotubos de carbono com torções mecânicas, nossos resultados mostram que através das curvaturas reativas nas paredes do tubo podemos obter nanofitas de grafenos via fratura nessas regiões reativas pela incorporação de átomos de hidrogênio. Para o grafidino nossas médias mostram que as ligações dos átomos de hidrogênio apresenta diferentes taxas de incorporações e que essas taxas mudam com a evolução temporal em padrões complexos. Já no estudo mecânico de sistemas nanoestruturados calculamos a mecânica torsional de nanotubos baseado nos grafinos onde obtivemos que os nanotubos baseados nos grafinos são mais elásticos que os nanotubos de carbono convencionais, quando comparados à fratura gerada pela torção nos nanotubos. Por fim investigamos as propriedades mecânicas e padrões de fratura de nanoestruturas formadas por átomos de carbono e nitrogênio (g-CN, Triazine-based g-C3N4 e Heptazine-based g-C3N4) onde nossos resultados mostram que devido à presença de poros e de ligações químicas simples entre átomos de carbono e nitrogênio C-N obtemos padrões de fratura distintos

Abstract: Carbon nanotechnology revolution created a new era in materials science. The goal is the sustained development of new materials with superior physical and chemical properties than the existing ones. Therefore nanostructures formed by the carbon atoms has been intensively studied over the last decades, such as fullerenes, carbon nanotubes and more recently graphene. Graphene is a 2D nanostructure composed of hybridized carbon atoms sp² in compact hexagonal shape whith the thickness of a carbon atom. Graphene, in addition of being strong is light, almost transparent and an excellent conductor of heat and electricity. However it is a zero band gap material which limits its use in some electronic devices. Thus, there are new searches for new nanomaterials with the same characteristics or better than graphene, but with semiconducting properties. New better than nanomaterials like Silicene, carbon nitride and graphene-like nanostructures (nanotubes based on graphynes) among others have received extensive attention in theoretical and experimental research. From a theoretical point of view, several computational methods have been used to study the physical and chemical properties of nanostructures. Computer simulations of molecular systems are extremely importance as they help us in the interpretation of experimental results, for through these methods we have access to structural, electronic and dynamic states. These methods can be treated from first principles (quantum mechanics), or through of the force fields applied in classical methods. Using these methodologies with the use of a modern force fields we have studied the structural, mechanical properties, fracture patterns and degradation into gaseous atmospheres of nanostructured systems composed of carbon, nitrogen and hydrogen atoms. In the study of degradation in gaseous atmospheres we performed a dynamic study exposing carbon nanotubes under mechanical twisting and graphdiynes membranes in gaseous atmospheres consisting of hydrogen atoms. For carbon nanotubes with mechanical twists, our results show that from the reactive curvatures on the tube walls can obtain nanoribbons of graphene via fractures in these regions by the incorporation of reactive hydrogen atoms. For graphdiynes our results show that the hydrogen incorporated atoms bonded have different rates and that these rates change in complex patterns. In the mechanical study of nanostructured systems we calculate the torsional mechanics of the nanotubes based on graphynes where we obtain that these nanotubes are more elastic than standard carbon nanotubes when compared to the values of angles of the fracture twist. Finally, we investigated the mechanical properties of nanostructures formed by carbon and nitrogen atoms fracture patterns (g-CN, Triazine-based g-C3N4 and Heptazine-based g-C3N4) where our results show that due to the presence of pores and single chemical bonds between carbon and nitrogen atoms (CN) we obtain different and unique fracture patterns
Subject: Nanotecnologia
Dinâmica molecular
Nanotubos de carbono
Grafeno
Nitreto de carbono
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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