Cálculo de las propiedades térmicas y mecánicas de nanotubos de carbono a partir de la dispersión de fonones

Calculation of thermal and mechanical properties of crystalline CNTs (C-CNTs) and low crystallinity (LC-CNTs) by study the phonon dispersion

José Antonio García-Merino
Pontificia Universidad Católica de Chile, CHILE

Recibido 21-05-2021, aceptado 23-06-2021.

Resumen

La importancia de estudiar a los nanotubos de carbono (CNT) desde una perspectiva de cristalinidad es de suma importancia ya que sus propiedades son altamente modificadas en función de su distribución atómica. Este trabajo, describe el cálculo de propiedades térmicas y mecánicas de CNT cristalinos (C-CNT) y de baja cristalinidad (LC-CNT) por medio del estudio numérico de la dispersión de fonones. La estructura de bandas y la densidad de estados de los fonones se obtuvieron por medio de un programa de cómputo (QuantumATK) y considerando CNT de las mismas dimensiones morfológicas. La diferencia en la dispersión de fonones entre los materiales resultó determinante en las propiedades térmicas y mecánicas. A pesar de que la capacidad calorífica es similar en ambos CNT, se observó una diferencia de 1 orden de magnitud para la conductividad térmica. Así mismo, el módulo de Young se calculó en 5.4 MPa para los C-CNT y en 73.6 MPa para los LCCNT. Estas diferencias se atribuyen a los valores de la velocidad del sonido en los materiales. Por otra parte, los CNT tienen una gran relación de aspecto y por tanto presentan una alta polarización molecular, lo cual lo hace un material atractivo para modular las propiedades mecánicas mediante el efecto de electrostricción. El cambio de la densidad y el módulo de Young se calcularon considerando una fuente de luz con una irradiancia entre 0.1 a 1.0 GW/cm2, tomando como base las propiedades ópticas lineales y no-lineales de los CNT de investigaciones previas. Los resultados aproximan las propiedades térmicas y mecánicas de C-CNT y/o LC-CNT analizando los modos fundamentales de vibración atómica.

Abstract

The importance of studying carbon nanotubes (CNTs) from a crystallinity perspective is of utmost importance since their properties are highly modified depending on their atomic distribution. This work describes the calculation of thermal and mechanical properties of crystalline CNTs (C-CNTs) and low crystallinity (LC-CNTs) by study the phonon dispersion. The phonon band structure and phonon density of states were obtained using computer software (QuantumATK) and considering CNTs of the same morphological dimensions. The difference in the dispersion of phonons between the materials was decisive in the thermal and mechanical properties. Even though the heat capacity is comparable in both CNTs, a difference of 1 order of magnitude was observed for the thermal conductivity. Likewise, the Young modulus was computed in 5.4 MPa for C-CNTs and in 73.6 MPa for LC-CNTs. These differences are attributed to the values of the speeds of sound in the materials. On the other hand, CNTs have a large aspect ratio and therefore have highly molecular polarizability. This property makes it an attractive material for modulating mechanical properties through the electrostriction effect. The change in density and Young modulus were computed considering a light source with an irradiance between 0.1 to 1.0 GW/cm2, based on the linear and non-linear optical properties of CNTs from previous investigations. The results approximate the thermal and mechanical properties of C-CNTs and/or LC-CNTs by analyzing the fundamental atomic vibration modes.

Palabras clave: nanotubos de carbono, electrostricción, densidad de estados de fonones, efectos opto-mecánicos.
Index terms: carbon nanotubes, electrostriction, phonon density of states, opto-mechanical effects.

ISO 690 reference:
García-Merino, José Antonio, 2021, Cálculo de las propiedades térmicas y mecánicas de nanotubos de carbono a partir de la dispersión de fonones, Científica, Revista Mexicana de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, vol. 25, no. 2, ISSN 2594-2921, DOI: https://doi.org/10.46842/ipn.cien.v25n2a02