Atomistic modeling of formation and friction of materials with nanodimensional surfaces

Abstract

The review presents the results of modeling of the solvation of nanoparticles with deep eutectic solvents that act as stabilizers of metal nanoparticles, which provide a new platform for nanoparticle technology. It is calculated that there is a slower dynamics of solvent molecules, i.e., a slowing down of water near solutes. Such water has limited movement and cannot be organized into tetrahedral forms, in contrast to water in volume. Also, the paper describes systematic studies of the adsorption configuration, distribution density and adsorption energy of molecules Н2О, CO2, CH4, N2, C8H18 and fluorocarbons C3F8 and C5F12 on the surface of kaolinite (001). Water adsorption is initiated and occurs due to the growth of clusters around surface groups, which is mainly regulated by the interactions of hydrogen bonds. Further, the paper investigates theoretically physical and mechanical properties of nanoscale systems, in particular, nanotips, amorphous carbon monolayer and nanoparticles. It is shown that the single-layer amorphous carbon is surprisingly stable and is deformed with a high ultimate strength without the propagation of cracks from the point of failure. The sliding on amorphous polyethylene and silicon studied using the method of molecular dynamics is described. The paper also discusses the dependencies of the friction force, acting on nanoparticles, on their velocity and sizes, in particular, the contact area, the structure and the type of the material, as well as on the direction of their shear and temperature. At an angle of rotation $ 45^\circ $, the silicon friction forces reach a minimum value, which can be termed superlubricity. The molecular dynamics modeling of the surface of carbon nanotubes, chitosan, polyvinyl acetate, titanium dioxide, α-quartz and zeolite is described to solve application problems ranging from reaction control to targeted delivery and creation of new drugs. The general principles have been identified that artificial water channels made of carbon nanotubes porins must satisfy, which can serve as a basis for further experiments. The organic modification mainly forms a modifier layer by crosslinking the hydrogen bond with the substrate, the flatness of the modified layer is strongly influenced by the type and concentration of the modifier.

В огляді представлені результати моделювання сольватації наночастинок глибокими евтектичними розчинниками, які виконують роль стабілізаторів металевих наночастинок, що створюють нову платформу для технології наночастинок. Розраховано, що спостерігається повільніша динаміка молекул розчинника, тобто сповільнення води біля розчинених речовин. Така вода має обмежений рух і не може бути організована в тетраедричні форми, на відміну від води за об’ємом. Також у статті описано систематичні дослідження конфігурації адсорбції, щільності розподілу та енергії адсорбції молекул Н2О, CO2, CH4, N2, C8H18 і фторуглероді C3F8 і C5F12 на поверхні каолініту (001). Адсорбція води ініціюється і відбувається за рахунок зростання кластерів навколо поверхневих груп, що в основному регулюється взаємодією водневих зв’язків. Далі в роботі теоретично досліджено фізико-механічні властивості нанорозмірних систем, зокрема, нанонаконечників, моношару аморфного вуглецю та наночастинок. Показано, що одношаровий аморфний вуглець напрочуд стабільний і деформується з високою граничною міцністю без поширення тріщин від точки руйнування. Описано ковзання по аморфному поліетилену та кремнію, досліджене методом молекулярної динаміки. У роботі також розглядаються залежності сили тертя, що діє на наночастинки, від їх швидкості та розмірів, зокрема, площі контакту, структури та типу матеріалу, а також від напрямку їх зсуву та температури. Описано молекулярно-динамічне моделювання поверхні вуглецевих нанотрубок, хітозану, полівінілацетату, діоксиду титану, α -кварцу та цеоліту для вирішення прикладних завдань - від контролю реакції до адресної доставки та створення нових ліків.