Investigación del movimiento de fullereno en sustratos de oro activados térmicamente con diferentes formas.

Sep 12, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14397 (2022) Citar este artículo

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En el estudio actual, se investigó el régimen de movimiento de las moléculas de fullereno sobre sustratos con diferentes formas en un rango de temperaturas específicas. Para ello, se analizó la energía potencial de las moléculas de fullereno mediante el método de dinámica molecular clásica. Se seleccionaron moléculas de fullereno C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 y C90 debido a sus formas esféricas con diferentes tamaños. Además, para analizar completamente el comportamiento de estas moléculas, se consideraron diferentes sustratos de oro, incluidos los sustratos planos, cóncavos, el lado superior del escalón (paso ascendente) y el lado inferior del escalón (paso descendente). Especificar el régimen de movimiento a diferentes temperaturas es uno de los principales objetivos de este estudio. Para ello, hemos estudiado los movimientos de traslación y rotación de las moléculas de fullereno de forma independiente. En el primer paso de la investigación, se calculó la energía potencial de las moléculas de fullereno de Lennard-Jones. Posteriormente, se ha clasificado el régimen de movimiento de los diferentes fullerenos, en función de su desplazamiento y velocidad de deslizamiento. Nuestros hallazgos indicaron que el C60 es apropiado en menos del \(5\%\) de las condiciones. Sin embargo, se descubrió que las moléculas C20, C76 y C80 eran candidatas apropiadas en la mayoría de los casos en diferentes condiciones, mientras que solo eran incompetentes en siete situaciones. En lo que respecta a un movimiento rectilíneo, la geometría cóncava demostró un mejor rendimiento en comparación con los otros sustratos. Además, C72 indicó un rendimiento menos favorable en cuanto al rango de movimiento y coeficientes de difusión. En definitiva, nuestra investigación ayuda a comprender el comportamiento de diferentes moléculas de fullereno en sustratos de oro y a encontrar su probable aplicación, especialmente como rueda en estructuras de nanomáquinas.

La manipulación de materiales a nanoescala se está volviendo cada vez más atractiva para diversos objetivos tecnológicos, gracias al rápido desarrollo de los nanorobots. En los últimos años, se han propuesto numerosos mecanismos de transporte para transportar partículas de tamaño nanométrico1. Sin embargo, la mayoría de estos enfoques resultaron incompetentes por varias razones. En primer lugar, prácticamente todos los nanomanipuladores creados son varios órdenes de magnitud más grandes que su carga útil, lo que va en contra del rendimiento de los nanomanipuladores naturales1,2. En la naturaleza, moléculas del mismo orden de magnitud o incluso más pequeñas son capaces de transportar átomos y moléculas. La kinesina, por ejemplo, es una proteína pequeña que puede transportar cargas útiles bastante grandes de forma adecuada3,4. En segundo lugar, no pueden trabajar simultáneamente con un gran número de partículas2.

James Tour et al. ensamblaron varios motores moleculares con el objetivo de transportar otros materiales a nanoescala5,6,7,8,9. Estas máquinas moleculares fabricadas han recibido nombres como nanocoches, nanotrucks u otros nombres debido a su similitud con los coches reales entre los investigadores2,6,10. Se han desarrollado varias nanomáquinas, cada una con una forma y un número de ruedas diferente. La primera generación de nanocoches sintetizados se movía con la ayuda de ruedas de fullereno11,12. C60 es una molécula bien conocida cuya movilidad sobre diversos sustratos se ha ilustrado en varios estudios experimentales y computacionales12,13. Además, se ha estudiado previamente el movimiento del C60 sobre sustratos de grafeno, silicona y oro14,15,16,17. Sin embargo, los nanocoches con ruedas de fullereno han mostrado un rendimiento más rentable sobre el sustrato de oro debido a su estabilidad y conductividad13. En estudios previos de estas nanomáquinas5 se fabricaron significativamente nanomáquinas de cuatro o tres ruedas con C60 como rueda. Vaezi et al.18 investigaron el movimiento de la molécula C60 sobre el sustrato de nitruro de boro a diferentes temperaturas. Indicaron que a medida que aumentaba la temperatura, el movimiento de rodadura se hacía más significativo que el movimiento de revestimiento, y el rango de los coeficientes de movimiento y difusión se hacía mayor. A pesar de los avances realizados en el estudio del C60, el régimen de movimiento de otros fullerenos no se ha investigado en detalle. Por lo tanto, parece muy necesario investigar la movilidad de otras moléculas de fullereno en diferentes sustratos para evaluar sus aplicaciones contingentes. Por ejemplo, Wang et al.19 investigaron el movimiento de los fullerenos C60, C72, C180, C240 ​​y C260 sobre el sustrato de grafeno. Demostraron que todas las moléculas llegaban al final del sustrato con velocidad máxima y comenzaban a fluctuar en ese punto. Por lo tanto, estas moléculas pueden utilizarse en la construcción de nanointerruptores de alta frecuencia, transporte de nanopartículas o componentes de nanorobots.

Vale la pena señalar que antes de utilizar estas nanomáquinas, se deben utilizar enfoques experimentales o analíticos para determinar su clase de movimiento20. La microscopía de barrido de túneles (STM) es una técnica de medición eficaz que se ha utilizado para monitorear una variedad de nanocoches21. Shirai et al.9 y Zhang et al.20 han empleado métodos experimentales para evaluar el movimiento de nanoportadores. Estudiaron la movilidad de numerosos nanocoches con ruedas de fullereno sobre un sustrato de oro a diferentes temperaturas. Sin embargo, STM tiene una serie de desventajas, como que requiere un proceso costoso y que requiere mucho tiempo, mientras que solo se pueden obtener unas pocas imágenes en un minuto y los detalles del movimiento se pueden mostrar parcialmente22. Como resultado, otros enfoques, como la simulación computacional, pueden ser adecuados para medir el movimiento de estas nanomáquinas en diversas situaciones23,24,25,26,27. Akimov et al.28 y Konyukhov et al.29,30 simularon un nanocoche con ruedas rígidas C60 y chasis rígido utilizando el método de dinámica molecular de grano grueso. Aunque sus suposiciones simplificadas les permitieron realizar simulaciones más rápido, es esencial mencionar que la precisión del modelo se redujo en su estudio, lo que provocó que se perdieran detalles sobre el movimiento del nanocoche.

En este estudio, se investigó el movimiento de varias moléculas de fullereno sobre cuatro sustratos de oro diferentes. Se han seleccionado moléculas de fullereno C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 y C90 debido a sus formas esféricas con diferentes tamaños. Además, para analizar completamente el comportamiento de estas moléculas, se consideraron diferentes sustratos de oro, incluidos los sustratos planos, cóncavos, el lado superior del escalón (paso ascendente) y el lado inferior del escalón (paso descendente). En el primer paso, se calculó la energía potencial de las moléculas de fullereno y luego se investigó su variación durante el movimiento. Posteriormente, se predijo el movimiento probable en diferentes condiciones en función de los resultados obtenidos. En el segundo paso se ha realizado el método clásico de dinámica molecular. Se ha examinado el movimiento de los fullerenos en sustratos inducidos térmicamente para lograr un mejor control sobre el movimiento de los fullerenos. Modelar el movimiento del fullereno puede permitir anticipar los movimientos de los nanocoches basados ​​en fullereno mediante innumerables métodos.

El análisis de energía potencial es un método poderoso para predecir la movilidad de los fullerenos en bastantes sustratos. Esta sección investiga la movilidad de varios fullerenos (Fig. 1) sobre sustratos de oro con diferentes formas (Fig. 2), a saber, los sustratos planos, escalonados hacia arriba, escalonados hacia abajo y cóncavos. Se consideró que los sustratos escalonados hacia arriba y hacia abajo proporcionaban un mejor control sobre el movimiento del fullereno (Fig. 2 B, C). Además, la parte central del sustrato cóncavo corresponde al sustrato plano, y sus lados superior e inferior corresponden a los sustratos escalonados hacia abajo y hacia arriba cuando los fullerenos se bajan o suben, respectivamente (Fig. 2D).

(A) La vista tridimensional de diferentes fullerenos simulados en este estudio que son C20 (a), C36 (b), C50 (c), C60 (d), C72 (e), C76 (e), C80 (d). ) y C90 (h). (B) las moléculas de fullereno contactadas desde la orientación Hexa-Down en el sustrato en cada punto de partida.

Fullereno C60 sobre diferentes sustratos de oro. (A, B, C y D) que representan la superficie plana, el lado inferior del escalón, el lado superior del escalón y los sustratos cóncavos, respectivamente.

Vale la pena señalar que al calcular la energía potencial, el fullereno se considera una molécula rígida. Significa que la energía potencial entre los átomos de carbono es constante y no es necesario calcularla. Por lo tanto, se ignoró la energía potencial interna entre los átomos de carbono del fullereno, y la energía potencial del fullereno representa la energía potencial resultante de la interacción entre los átomos de carbono del fullereno y los átomos de oro del sustrato. Las estructuras moleculares rígidas de todos los fullerenos se obtuvieron del programa Nanotube Modeler en la biblioteca de fullerenos31. Algunas moléculas de fullereno tienen muchos isómeros, por lo que seleccionamos la que tiene forma esférica como C60 (por ejemplo, C36 tiene \(15\) isómeros y elegimos el isómero llamado No.15-D6h.cc1, C50 tiene \(271\) isómeros y elegimos el isómero llamado No.271-D5h.cc1, C76 tiene \(2\) isómeros y elegimos el isómero llamado C76-Td.cc1, C80 tiene \(7\) isómeros y elegimos el isómero llamado No .6-D5h.cc1, y C90 tiene \(46\) isómeros y elegimos el isómero denominado No.20-C1.cc1 en función de sus formas esféricas, del modelador de nanotubos).

Según Pishkenari et al.32, la energía potencial del C60 sobre un sustrato de oro varía dependiendo de su orientación. Compararon cuatro orientaciones diferentes del C60, teniendo en cuenta el movimiento de traslación y rotación, y descubrieron que la orientación Hexa-down tiene el movimiento más estable. Por lo tanto, en el trabajo actual, todos los fullerenos antes mencionados se colocaron sobre sustratos mediante su orientación Hexa-abajo, excepto C20, que se colocó en su lado pentagonal.

La energía potencial de los fullerenos se calculó empleando el potencial de Lennard-Jones como se muestra a continuación (Ec. 1):

donde \(\sigma\), \(\varepsilon\) y \(r\) son parámetros potenciales que indican la distancia de equilibrio de \({\text{Au}}{-}{\text{C}} \) enlace \((\sigma = 2.9943 {\text{\AA}})\), la profundidad del potencial (\(\varepsilon = 0.01273 eV\)) y la distancia entre los átomos de oro y carbono en una ubicación de equilibrio, respectivamente. Además,\(r_{cut - off}\) representa el radio de corte para el potencial de Lennard-Jones y se establece en \(13 {\text{\AA}}\).

En el estudio actual, se examinó el movimiento de varias moléculas de fullereno con diferentes formas sobre las superficies de oro utilizando el método clásico de dinámica molecular. Se realizaron simulaciones a diferentes temperaturas en el rango de \(75K\) a \(600K\) para investigar el efecto de la temperatura en la movilidad de las moléculas de fullereno. La temperatura del sustrato y los fullerenos se reguló empleando el termostato Nose-Hoover. La molécula de fullereno se colocó en la parte superior del sustrato, mientras que se suponía que la capa inferior era rígida. El tamaño del sustrato se ajustó a \(18a\times 18a\times 3a\), donde a representa la constante de la red dorada, establecida en \(4.078{\text{ {\AA}}}\). Además, se utilizaron condiciones de contorno periódicas en las direcciones \(x\) y \(y\), y se consideró que la dirección plana de la superficie del oro era \((001)\) con respecto a la dirección cristalina de FCC.

Para modelar la interacción entre los átomos de oro en el sustrato, se aplicó el potencial EAM33. Este potencial se desarrolló utilizando la teoría del funcional de la densidad, que se reconoce como uno de los potenciales más precisos hasta el momento para imitar el Au y otros metales FCC. Se ha demostrado que este potencial replica con precisión las vacantes y los trastornos en los sustratos \(\mathrm{Au}\), y las estructuras de dislocación predichas por este potencial coinciden adecuadamente con las observaciones experimentales. Las simulaciones se realizaron utilizando el software LAMMPS34 y los resultados se visualizan operando el paquete VMD35. Antes de comenzar la simulación, el sistema se relajó durante 200.000 pasos y luego, la simulación se realizó durante \(8 ns\) considerando \(1 fs\) pasos de tiempo para lograr resultados precisos. El algoritmo de velocidad de Verlet se utilizó para integrar las ecuaciones de movimiento con un paso de tiempo de \(1 fs\). Vale la pena mencionar que \(Tdamp\) también está configurado en \(50 fs\) en el software LAMMPS para el conjunto NVT36.

El objetivo principal de este estudio es encontrar las moléculas de fullereno óptimas para utilizarlas como rueda en nanomáquinas. Para ello, en una primera etapa se ha analizado el movimiento de las moléculas de fullereno sobre diferentes sustratos de oro. Según las geometrías estudiadas en la investigación actual, las moléculas de fullereno han mostrado más desviación de su trayectoria directa en el sustrato plano que los otros sustratos, ya que el movimiento de las moléculas no estaba restringido en este sustrato. Después del sustrato plano, la mayor desviación de las moléculas de fullereno ocurre en el sustrato del escalón ascendente debido a sus puntos de alta energía resultantes de los efectos de la superficie, y no se necesita energía para saltar por el escalón. Además, al aumentar el radio de la molécula de fullereno de C20 a C90, se observó que el rango de movimiento de los fullerenos se ha vuelto más pequeño debido a la generación de más fuerzas no enlazadas entre el sustrato de oro y los átomos de carbono de los fullerenos (Figs. 3, 4 y 5 líneas azules y grises).

Trayectorias de diferentes fullerenos sobre un sustrato de oro a \(75K\) para C20 (A), C36 (B), C50 (C), C60 (D), C72 (E), C76 (F), C80 (G), y C90 (H. Las líneas azul, roja, negra y amarilla muestran las trayectorias de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, lado superior del escalón y sustratos cóncavos, respectivamente.

Trayectorias de diferentes fullerenos sobre un sustrato de oro en \(150\mathrm{K}\) para C20 (A), C36 (B), C50 (C), C60 (D), C72 (E), C76 (F), C80 (G) y C90 (H). Las líneas azul, roja, negra y amarilla muestran las trayectorias de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

Trayectorias de diferentes fullerenos sobre un sustrato de oro en \(300\mathrm{ K}\) para C20 (A), C36 (B), C50 (C), C60 (D), C72 (E), C76 (F), C80 (G) y C90 (H). Las líneas azul, roja, negra y amarilla muestran las trayectorias de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

Al contrario de los efectos del radio, el aumento de la temperatura provoca un movimiento de largo alcance de los fullerenos debido al aumento de la energía interna de las moléculas, que podrían superar adecuadamente las fuerzas no enlazadas (Figs. 6, 7 y 8, líneas azules y grises). ). Asimismo, el sustrato del escalón descendente tiene puntos de alta energía, especialmente en los bordes, que provocan la desviación de las moléculas en esta geometría. Sin embargo, se requiere una energía mínima para que las moléculas salten el escalón; por lo tanto, los fullerenos han mostrado menos desviación en la geometría de paso descendente que en la geometría de paso ascendente. A bajas temperaturas, no se observaron movimientos de largo alcance, de modo que todos los fullerenos simplemente fluctuaban (Figs. 3 y 4, líneas rojas). A medida que los fullerenos aumentan de tamaño, aumenta la energía necesaria para saltar los escalones; por lo tanto, las moléculas más grandes podrían superar el movimiento fluctuante y comenzar su movimiento a altas temperaturas con pocas desviaciones (Figs. 7 y 8 líneas rojas). Además, al aumentar el radio del fullereno de C20 a C90, el rango de movimiento ha aumentado en el sustrato del escalón descendente. El mismo comportamiento se ha repetido en la geometría cóncava. Cuanto mayor es la temperatura, mayor rango de movimiento del fullereno se observó, especialmente cuando el radio y la temperatura aumentan simultáneamente. Cabe mencionar que todos los fullerenos recorrieron un camino directo en casi todas las temperaturas debido a varias razones. Para empezar, la energía de las moléculas de fullereno se dedicó a ascender gradualmente por la forma escalonada del sustrato cóncavo. En segundo lugar, debido a la forma similar de los sustratos cóncavos y los fullerenos, el movimiento de los fullerenos se realiza en una dirección. En tercer lugar, debido al hecho de que el sustrato cóncavo no solo aprovecha el movimiento de largo alcance del fullereno sobre el sustrato plano sino que también puede reducir con éxito la desviación del fullereno debido a la existencia de una superficie escalonada en ambos lados.

Trayectorias de diferentes fullerenos sobre un sustrato de oro en \(400\mathrm{K}\) para C20 (A), C36 (B), C50 (C), C60 (D), C72 (E), C76 (F), C80 (G) y C90 (H). Las líneas azul, roja, negra y amarilla muestran las trayectorias de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

Trayectorias de diferentes fullerenos sobre un sustrato de oro en \(500\mathrm{K}\) para C20 (A), C36 (B), C50 (C), C60 (D), C72 (E), C76 (F), C80 (G) y C90 (H). Las líneas azul, roja, negra y amarilla muestran las trayectorias de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

Trayectorias de diferentes fullerenos sobre un sustrato de oro en \(600\mathrm{K}\) para C20 (A), C36 (B), C50 (C), C60 (D), C72 (E), C76 (F), C80 (G) y C90 (H). Las líneas azul, roja, negra y amarilla muestran las trayectorias de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, lado superior del escalón y sustratos cóncavos, respectivamente.

Además, se ha observado un movimiento de largo alcance para el sustrato cóncavo debido a las razones mencionadas anteriormente y a los efectos recíprocos de la temperatura y el radio en el movimiento de las moléculas, cuya investigación está fuera del alcance de este estudio (Figs. 3, 4, 5 y 6 líneas amarillas).

Para investigar el comportamiento de las moléculas de fullereno en diferentes sustratos de oro, en las Figs. 9, 10 y 11, respectivamente. Se ha considerado la velocidad de deslizamiento ya que el factor principal del movimiento de los fullerenos lo proporciona el movimiento deslizante en lugar del movimiento rodante.

Distancia recorrida por los fullerenos sobre un sustrato de oro durante \(75 \mathrm{K}\)(A), \(150 \mathrm{K}\) (B), \(300 \mathrm{ K}\) (C) , \(400 \mathrm{K}\) (D), \(500 \mathrm{K}\) (E) y \(600 \mathrm{K}\) (F). Las barras azul, roja, negra y amarilla muestran la distancia recorrida por las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

Energía potencial de Lenard Jones para diferentes moléculas de fullereno sobre un sustrato de oro para \(75 K\) (A), \(150 K\) (B), \(300 K\) (C), \(400 K\) ( D), \(500 K\) (E) y \(600 K\) (F). Las barras azul, roja, negra y amarilla muestran la energía potencial de Lenard Jones de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

Velocidad de deslizamiento para diferentes moléculas de fullereno sobre un sustrato de oro para \(75 K\) (A), \(150 K\) (B), \(300 K\) (C), \(400 K\) (D) , \(500 K\) (E) y \(600 K\) (F). Las barras azul, roja, negra y amarilla muestran la velocidad de deslizamiento de las moléculas en el lado plano, inferior del escalón, en la parte superior del escalón y en los sustratos cóncavos, respectivamente.

La distancia recorrida por las moléculas aumentó a medida que aumentaba la temperatura en todas las condiciones (Fig. 9). Además, se ha observado una tendencia decreciente en la distancia recorrida por las moléculas cuando el radio de los fullerenos aumentaba, ya que a medida que el fullereno aumentaba, más átomos de carbono interactuaban con la superficie del oro, ralentizando el movimiento (Fig. 9). Sin embargo, esta tendencia decreciente para todas las temperaturas ha llevado a un valor constante después de la molécula de C60. Esto se debe al hecho de que se asociaron más átomos de carbono con la superficie del oro a medida que aumentaba el tamaño del fullereno, pero sus interacciones cambiarán ligeramente (Fig. 9).

Como se muestra en la Fig. 10, cuanto mayor es la energía entre los fullerenos y la superficie del oro, se observa menos movilidad para las moléculas de fullereno. Por lo tanto, se ha observado la misma energía potencial de Lennard-Jones para los fullerenos en los sustratos planos, de paso ascendente y descendente. En cuanto al sustrato cóncavo, se observó menos energía debido a la similitud de forma de la superficie del oro y los fullerenos (Fig. 10). Sin embargo, C72 fue la única excepción, ya que demostró la misma energía potencial en todos los sustratos debido a su forma no esférica.

La velocidad de deslizamiento es uno de los parámetros más importantes para seleccionar fullerenos en diferentes sustratos, presentado en la Fig. 11 para todas las temperaturas. Como hasta ahora todos los nanoautos se han ensamblado con ruedas C60, en el estudio actual solo se investigaron los fullerenos que indicaron un mejor rendimiento en comparación con las C60.

Dada la Fig. 3a, algunas de las moléculas de fullereno revelaron más movimientos en comparación con C60 en \(75K\), dos de los cuales están relacionados con C76 en el escalón descendente y sustratos cóncavos, y uno de ellos está asociado con C80 en el escalón ascendente. sustrato. Teniendo en cuenta los resultados de desviación antes mencionados, la molécula C76 puede identificarse como el fullereno más deseable en \(75K\).

A \(150K\), a pesar de la alta movilidad de los fullerenos C76 y C80 en el sustrato plano, no pueden considerarse como opciones alternativas debido a la gran cantidad de desviación en el sustrato plano. Por lo tanto, el fullereno C60 se considera la mejor alternativa para el C60 a \(150 K\) debido a su mayor impulso en comparación con otros fullerenos. Sin embargo, para aplicaciones en las que los fullerenos se mueven en geometrías cóncavas, todavía se recomienda el fullereno C60 (Fig. 11B).

Con respecto a la Fig. 11C, la molécula C60 no funcionó adecuadamente a \(300 K\) y, de acuerdo con las consideraciones de movilidad y forma de la superficie, se introdujo la molécula C76 como la candidata más adecuada a esta temperatura. Se debe considerar que la palabra "Candidato" se usó para fullerenos que pueden tener un mejor desempeño en comparación con el C60 en diferentes condiciones.

A \(400 K\), el C60 ha mostrado un rendimiento insuficiente en todos los sustratos excepto en el sustrato plano en el que desviaciones considerables limitaron todas las aplicaciones. Por lo tanto, dos de las moléculas de fullereno sugeridas, incluidas C20 y C50, revelaron un buen desempeño en el escalón descendente y el sustrato cóncavo, respectivamente. Cabe señalar que el fullereno C80 también podría considerarse un sustituto de la molécula C50 en geometría cóncava (Fig. 11D).

Aunque el rendimiento de la molécula C60 fue desfavorable a \(500 K\), otras moléculas tampoco han ofrecido un rendimiento más satisfactorio en todas las condiciones. Sin embargo, se recomiendan las moléculas C20 y C60 debido a su mejor movilidad para ser utilizadas en sustratos planos a pesar de las altas desviaciones. Además, se recomienda enérgicamente C20 en los sustratos escalonados hacia arriba y hacia abajo, y C36 en los sustratos cóncavos, debido a sus movimientos estables con menos desviaciones (Fig. 11E).

En \(600 \mathrm{ K}\), la molécula C80 indicó un desempeño adecuado en el sustrato del paso ascendente y ha sido reconocida como la principal candidata en lugar de C60. Después del C80, otros fullerenos también mostraron un rendimiento aceptable, incluido el C20 en los sustratos planos y escalonados ascendentes, el C36 en los sustratos planos y escalonados descendentes, el C50 en los sustratos planos y escalonados ascendentes/descendentes, y el C76 en los sustratos escalonados ascendentes/descendentes. (Figura 11F).

Como resultado, la Tabla 1 representa el fullereno más deseable en todos los sustratos y a todas las temperaturas. De acuerdo con esto, las nanomáquinas necesarias se pueden diseñar adecuadamente para obtener el mejor rendimiento en diferentes condiciones. Además, la molécula C60, que en todas las nanomáquinas se consideraba una rueda, sólo en unos pocos casos pudo ser candidata entre los fullerenos. Por lo tanto, el estudio presentado puede considerarse una investigación convincente en relación con la introducción de las moléculas de fullereno más deseables en diferentes condiciones.

La simulación puede ser una herramienta valiosa para investigar fenómenos físicos/químicos37,38,39,40,41,42. El estudio actual investiga el movimiento de los diferentes fullerenos en sustratos planos, escalonados hacia arriba, escalones descendentes y cóncavos en \(75 K\), \(150 K\), \(300 K\), \(400 K\). , \(500 K\) y \(600 K\). Para ello, se eligieron las moléculas de fullereno C20, C36, C50, C60, C72, C76, C80 y C90 debido a sus diferencias de forma y radio. Debido al hecho de que las ruedas de la nanomáquina desempeñan un papel importante en el movimiento de la nanomáquina porque tienen la mayor interacción con el sustrato subyacente mientras conectan el chasis de la nanomáquina. Por lo tanto, la investigación actual puede sugerir ruedas óptimas para los movimientos de las nanomáquinas y potencialmente mejorar el rendimiento de las nanomáquinas para diferentes aplicaciones.

En lo que respecta al movimiento rectilíneo, los fullerenos demostraron la mayor desviación en los sustratos planos en comparación con otros sustratos. Al mismo tiempo, el cóncavo, el paso ascendente y el paso descendente indicaron menos desviaciones debido a su capacidad para restringir los movimientos desfavorables, respectivamente. Además, a medida que aumentaba la temperatura, la desviación de los fullerenos aumentó significativamente excepto en el caso del sustrato cóncavo debido a la restricción de los fullerenos a diferencia del movimiento de ambos lados.

En la siguiente etapa, se estudió el efecto del radio en el movimiento de los fullerenos, de modo que se observó un movimiento de largo alcance para los fullerenos en el sustrato cóncavo incluso a bajas temperaturas (\(75 K\) y \(150 K\) ). Sin embargo, la temperatura ha jugado un papel predominante en el movimiento de las moléculas de fullereno en los sustratos planos, de paso ascendente y descendente.

El potencial de Lennard-Jones se ha empleado para evaluar las fuerzas de interacción de Van Der Waals entre los fullerenos y las superficies de oro. El resultado indica que los fullerenos mostraron la misma energía potencial de Lennard-Jones en los sustratos planos, de paso ascendente y descendente a una temperatura constante, ya que las superficies de oro que interactúan con los átomos de carbono tenían una estructura idéntica. Sin embargo, para el sustrato cóncavo, a la luz de su parecido con la forma de los fullerenos, los átomos de carbono tienen más interacciones con la superficie del oro, lo que conduce a una mayor energía potencial de Lennard-Jones. Además, las diferencias de potencial de Lennard-Jones entre la geometría cóncava y los otros sustratos se vuelven más significativas cuando aumenta el radio de los fullerenos (de C20 a C90).

Como afirmaron estudios anteriores, la temperatura es la única característica efectiva de la distancia recorrida por los fullerenos, de modo que los cambios de superficie no influyeron en la cantidad de distancia recorrida. Sin embargo, nuestros hallazgos revelaron que a medida que aumentaba el radio, la distancia recorrida disminuía para los fullerenos a la misma temperatura. Esto se debe al hecho de que en la interacción con la superficie del oro intervienen más átomos de carbono, lo que ralentiza el movimiento de los fullerenos.

También se evaluó el parámetro de velocidad de deslizamiento para determinar los fullerenos apropiados según las condiciones probables de las nanomáquinas (la dimensión y la temperatura). Para hacerlo, se proporcionan más detalles en la Tabla 1, en la que los fullerenos candidatos se introducen considerando los cambios de temperatura y sustrato. La molécula C60, que se ha utilizado como rueda para nanomáquinas en casi todos los estudios, no fue reconocida como candidata adecuada en los sustratos escalonados ascendentes y descendentes a todas las temperaturas. Además, se introdujo un mejor candidato en lugar de C60 en el sustrato plano a todas las temperaturas. El sustrato cóncavo a \(150 K\) fue el único caso en el que no se descubrió ningún candidato calificado entre nuestras moléculas estudiadas. Nuestros hallazgos indican que el C60 es apropiado en menos del \(5\%\) de los objetivos de fullerenos. Las moléculas C20, C76 y C80 han sido candidatas en la mayoría de los casos en diferentes condiciones, de modo que solo resultaron incompetentes en siete situaciones, lo cual se menciona en la sección de resultados. Además, la molécula C72 fue el único fullereno que no se presentó como candidato debido a su estructura cilíndrica, lo que provocó que la molécula cayera sobre su sección transversal más extensa después de un tiempo. Con todo, nuestra investigación ayuda a comprender el comportamiento óptimo de diferentes moléculas de fullereno sobre sustratos de oro para encontrar su probable aplicación, especialmente en objetivos de nanomáquinas.

Los datos de este estudio están disponibles previa solicitud razonable del autor correspondiente.

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Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación del sector público, comercial o sin fines de lucro.

Estos autores contribuyeron igualmente: Mohammad Ali Bakhtiari, Mahdi Tohidloo y Saeed Seifi.

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Sharif, Avenida Azadi, Teherán, Irán

Amir Shamloo, Mohammad Ali Bakhtiari, Mahdi Tohidloo y Saeed Seifi

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AS Diseñó las simulaciones, analizó los datos, supervisó el proyecto y redactó el artículo. MAB diseñó y realizó las simulaciones, analizó los datos y escribió el artículo. MT Diseñó y realizó las simulaciones, analizó los datos y escribió el artículo. SS Diseñó y realizó las simulaciones, analizó los datos y escribió el artículo.

Correspondencia a Amir Shamloo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Shamloo, A., Bakhtiari, MA, Tohidloo, M. et al. Investigación del movimiento de fullereno sobre sustratos de oro activados térmicamente con diferentes formas. Informe científico 12, 14397 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18730-7

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Recibido: 19 de marzo de 2022

Aceptado: 18 de agosto de 2022

Publicado: 24 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18730-7

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