CC BY
0"ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI" RESPUBLIKA ILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
UGLEROD NANONAYCHASINING TERMOFIZIK XUSUSIYATLARIGA ENDOEDRAL NIKEL ATOMLARINING
TA'SIRI
1Do'stmatov Asomiddin Bozor o'g'li, 2Soatova Hanifa Suyunovna, 3Safarov Faxriddin Mamasaid o'g'li, 4Xalilov Umedjon Boymamatovich
1Denov tadbirkorlik va pedagogika instituti talabasi, 2Denov tadbirkorlik va pedagogika instituti magistranti, 3O'zR FA, Ion-Plazma va lazer texnologiyalari instituti kichik ilmiy xodimi; Denov
tadbirkorlik va pedagogika instituti stajyor-o'qituvchi, 4O'zR FA, Ion-Plazma va lazer texnologiyalari instituti bosh ilmiy xodimi; Denov tadbirkorlik va pedagogika instituti dotsenti,
f-m.f.d
https://doi.org/10.5281/zenodo.11115125
Abstract. We performed molecular dynamics (MD) simulations to investigate how the presence of endohedral nickel (Ni) atoms in carbon nanotubes (CNTs) with (10, 10) and (12, 0) chirality affects their thermal conductivity at room temperature. Our findings reveal that as the volume fraction of endohedral Ni atoms increases, the thermal conductivity improves in both types of CNTs.
Keywords: carbon nanotube, endohedral Ni atoms, thermal conductivity, molecular dynamics.
Аннотация. Мы провели молекулярно-динамические (MD) симуляции, чтобы исследовать, как наличие эндогедральных атомов никеля (Ni) в углеродных нанотрубках (УНТ) с хиральностью (10, 10) и (12, 0) влияет на их теплопроводность при комнатной температуре. Наши результаты показывают, что с увеличением объемной доли эндоэдральных атомов Ni теплопроводность улучшается в обоих типах УНТ.
Ключевые слова: углеродный нанотрубка, эндогедральные атомы Ni, теплопроводность, молекулярная динамика.
Annotatsiya. Biz (10, 10) va (12, 0) xirallikdagi uglerod nanonaychalarida (UNN) endoedral nikel (Ni) atomlarining mavjudligi xona haroratida ularning issiqlik o'tkazuvchanligiga qanday ta'sir o'tkazishini o'rganish uchun molekulyar dinamika (MD) simulyatsiyalarini amalga oshirdik. Bizning topilmalarimiz shuni ko'rsatadiki, endohedral Ni atomlarining hajmiy ulushi ortib borishi bilan har ikkala turdagi CNTlarda issiqlik o'tkazuvchanligi yaxshilanadi.
Kalit so'zlar: uglerod nanonaychasi, endoedral Ni atomlari, issiqlik o'tkazuvchanlik, molekulyar dinamika.
UNNlarning ajoyib o'ziga xos xususiyatlari ularni olimlar tomonidan jadal o'rganilishiga sabab bo'ldi [1]. Oqibatda UNN sintezidagi so'ngi erishilgan yutuqlar tufayli UNN larni qo'llanilish doirasi ham kengayib bormoqda [2]. Xususan UNN asosidagi termal interfeys materiallari (TIM) ham [3]. TIMlar ikkita interfeys o'rtasida qo'llaniladigan materiallardir. Interfeyslardan biri issiqlik hosil qiladi, ikkinchisi esa issiqlikni qabul qiladi. TIMlarda yaxshi issiqlik tarqalishi juda zarur, chunki ular qurilmani yuqori issiqlik ta' sirida ishdan chiqishini oldini oladi. TIMlarga qo'yiladigan asosiy talablardan biri bu yuqori issiqlik o'tkazuvchanlikdir [4]. UNNlarning issiqlik o'tkazuvchanligini oshirish orqali UNN asosidagi TIMlarning ishlashini yanada yaxshilash mumkin. Shu jihatdan ushbu tadqiqot ishida endoedral Ni atomlarining UNNlarning issiqlik o'tkazuvchanligiga ta'siri MD simulyatsiyalari orqali o'rganildi.
"ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI" RESPUBLIKAILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
1-rasm. (10, 10) xiralllikdagi (a) nikelsiz, (b) 3 ta va (c) 5 ta endoedral nikel atomlari bo'lgan UNNlarning yondan va yuqoridan ko'rinishi. Bu yerda C va Ni atomlari mos ravishda kulrang va yashil ranglarda tasvirlangan.
UNNlardagi endoedral Ni atomlari ularning issiqlik o'tkazuvchanligiga ta'sirini modellashtirish klassik molekulyar dinamika usuliga asoslangan LAMMPS dasturiy to'plamidan foydalangan holda amalga oshirildi [5]. Model tizim sifatida boshqa tadqiqot ishlarida eng ko'p foydalanilgan (10, 10) va (12, 0) xirallikdagi UNNlar tanlab olindi [6,7]. (10, 10) va (12, 0) xirallikli UNNlar mos ravishda 800 va 528 ta C atomidan iborat bo'lib, ulardagi endoedral Ni atomlari soni 0, 3 va 5 tani tashkil qiladi (1,2-rasmlar). Ularning uzunligi esa 5 nmdan biroz kichikroqdir.
2-rasm. (12, 0) xiralllikdagi (a) nikelsiz, (b) 3 ta va (c) 5 ta endoedral nikel atomlari bo'lgan UNNlarning yondan va yuqoridan ko'rinishi. Bu yerda C va Ni atomlari mos ravishda kulrang va yashil ranglarda tasvirlangan.
Modellashtirishlarda tizimdagi C va Ni atomlari orasidagi o'zaro ta'sirni ifodalash uchun Zou va boshqalar tomonidan ishlab chiqilgan parametrlarga asoslangan ReaxFF potensialidan foydalanildi [8]. Barcha tizimlar uchun modellashtirish fazosining Z yo'nalishi bo'yicha davriylik shartlari qo'llanilgan. Dastlab model tizimlar 300 K harorat va 1 atmosfera bosimi ostida Nose-Hoover termostati va barostati orqali NPT ansambi ostida, keyin 300 K haroratda Hoover termostati orqali NVT ansambi ostida ushlab turildi va tizimlardagi issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsiyentini aniqlash uchun NVE ansamblida modellashtirishlar amalga oshirildi. Modellashtirishlarda davriylik shartlariga asosan UNNlar cheksiz uchun deb qaralgani bois issiqlik o'tkazuvchanlikni endoedral Ni atomlari soni bilan emas, balki endoedral nikel atomlarining hajmiy ulushiga bog'liq holda baholandi (1-jadval) [9].
1-jadval
ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI' RESPUBLIKA ILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
(1G, 1G) xirallikli UNN (12, G) xirallikli UNN
Ni tomlar soni G 3 5 G 3 5
Ni atomlarining hajmiy ulushi G G.G1G35 G.G1725 G G.G2599 G.G4332
Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti aniqlash uchun Green-Kubo formulasidan foydalaniladi [1G]:
fc = 3vb2Î{J(0yKt))dt
bu yerda V tizim hajmi, kB Boltzman doimiysi, T harorat, burchak qavslar (—) barcha atomlar bo'yicha issiqlik oqimi J(t) avtokorrelyatsiyasi funksiyasining o'rtacha qiymatini ifodalaydi. Issiqlik oqimi J(t) esa quyidagi formula orqali aniqlanadi:
N N i = 1j=1
bu yerda r¿y va Ft¡ lar i va j atomlar orasidagi masofa va kuchni, vt esa i atomning tezligini ifodalaydi.
ulushining UNNlarning issiqlik
0.01 0.02 0.03 0.04 Ni atomlarining hajmiy ulushi
3-rasm. Endoedral Ni atomlarining hajmiy o'tkazuvchanlik koeffitsientiga bog'liqlik grafigi.
Natijalar shuni ko'rsatadiki endoedral Ni atomlarining UNN ichiga kiritilishi issiqlik o'tkazuvchanlikning oshishiga sabab bo'ladi. 3-rasmdan ko'rinadiki toza (10, 10) va (12, 0) xirallikli UNNlarning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientlari deyarli bir xil (13.538 va 14.237 W/mK). Va bu qiymatlar boshqa MD simulyatsiya natijalari bilan mos bo'lib, kichik farq atomlar orasidagi o'zaro ta'sirni ifodalashda foydalanilgan kuch maydonlari tufayli deyish mumkin [6]. UNN ichidagi Ni atomlarining hajmiy ulushi oshishi (1G, 1G) xirallikli UNNning issiqlik o'tkazuvchanligini (12, 0) xirallikli UNNning issiqlik o'tkazuvchanligidan ko'ra ko'proq oshiradi. Xususan (1G, 1G) xirallikli UNNga G.G1725 hajm ulushida, (12, G) xirallikli UNNga esa G.G4332 hajm ulushida (5 ta) Ni kiritilsa ularning issiqlik o'tkazuvchanligi mos ravishda 13.5 baravar va 6.7 baravar oshishi aniqlandi. Umuman olganda ushbu topilmalar endoedral Ni atomlari orqali UNNlarning issiqlik o'tkazuvchanlini oshirish imkoni mavjudligini ta'kidlaydi. Bu esa endoedral Ni atomli UNNlarni TIMlarda foydalanish uchun yanada jozibali qiladi.
0
"ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI" RESPUBLIKA ILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
REFERENCES
1. V. Popov, Carbon Nanotubes: Properties and Application, Materials Science and Engineering: R: Reports 43, 61 (2004).
2. X. Jia and F. Wei, Advances in Production and Applications of Carbon Nanotubes, in SingleWalled Carbon Nanotubes, edited by Y. Li and S. Maruyama (Springer International Publishing, Cham, 2019), pp. 299-333.
3. J. Xu and T. S. Fisher, Enhancement of Thermal Interface Materials with Carbon Nanotube Arrays, International Journal of Heat and Mass Transfer 49, 1658 (2006).
4. B. Kumanek and D. Janas, Thermal Conductivity of Carbon Nanotube Networks: A Review, J Mater Sci 54, 7397 (2019).
5. A. P. Thompson et al., LAMMPS - a Flexible Simulation Tool for Particle-Based Materials Modeling at the Atomic, Meso, and Continuum Scales, Computer Physics Communications 271, 108171 (2022).
6. J. R. Lukes and H. Zhong, Thermal Conductivity of Individual Single-Wall Carbon Nanotubes, Journal of Heat Transfer 129, 705 (2007).
7. A. T. Zahra, A. Shahzad, A. Manzoor, J. Razzokov, Q. U. A. Asif, K. Luo, and G. Ren, Structural and Thermal Analyses in Semiconducting and Metallic Zigzag Single-Walled Carbon Nanotubes Using Molecular Dynamics Simulations, PLoS ONE 19, e0296916 (2024).
8. C. Zou, Y. K. Shin, A. C. T. van Duin, H. Fang, and Z.-K. Liu, Molecular Dynamics Simulations of the Effects of Vacancies on Nickel Self-Diffusion, Oxygen Diffusion and Oxidation Initiation in Nickel, Using the ReaxFF Reactive Force Field, Acta Materialia 83, 102 (2015).
9. U. Khalilov, U. Uljayev, K. Mehmonov, P. Nematollahi, M. Yusupov, and E. Neyts, Can Endohedral Transition Metals Enhance Hydrogen Storage in Carbon Nanotubes, International Journal of Hydrogen Energy 55, 604 (2024).
10. Y.-K. Kwon and P. Kim, Unusually High Thermal Conductivity in Carbon Nanotubes, in High Thermal Conductivity Materials, edited by S. L. Shinde and J. S. Goela (SpringerVerlag, New York, 2006), pp. 227-265.
