Study of carbon nanostructures in many scales

Orientador: Douglas Soares GalvãoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: Nanoestruturas de carbono de baixa dimensionalidade tem sido um tópico de pesquisa ativo, mas muitos desafios persistem. Um desafio é achar novos materiais. Outro é criar arranjos e dispositivos macroscópicos que façam uso das propriedades excepcionais de nanoestruturas. De um ponto de vista teórico, há necessidade tanto de explicar como de predizer novos materiais e arranjos. Estes estudos devem ser executados em diferentes escalas, com diferentes ferramentas. Nesta tese, cinco problemas em quatro escalas foram estudados: (i) Nós mostramos que o grafeno poroso pode ser convertido no Biphenylene Carbon se dehidrogenado. Nós usamos DFT em uma escala de ~1 nm. (ii) Nós mostramos que os grafenos ?, ? e ? são oxidados com taxas diferentes, sendo apenas o último resistente à oxidação. Nós usamos um campo de for cá reativo em uma escala de ~ 10 nm. (iii) Nós estudamos a auto organização de nanotubos de carbono (CNTs) em serpentinas em substratos com batentes. Nós mostramos que além dos batentes, os ingredientes necessários são um CNT longo e um impulso para frente. Nós usamos um campo de força não reativo em uma escala de ~ 100 nm. (iv) Nós simulamos o arranjo de CNTs em fios a partir de seu puxamento de florestas modelo. Nós mostramos que durante o puxamento os "bundles\" maiores entram em contato devido a ação dos \"bundles\" menores. Nós também propusemos que algum carbono amorfo pode ser benéfico. Nós usamos um campo de força não reativo em uma escala de ~ 100 nm. (v) Nós descobrimos que a atuação torsional de fios de CNT não deve escalar bem a medida que o diâmetro dos fios aumentar. Nós também mostramos que um mecanismo proposto para explicar o aumento da atuação tênsil em alguns casos não estava de acordo com a elasticidade linear. Nós usamos modelos contínuos em uma escala de ~ 100 µm. Fazendo uso de diferentes métodos para estudar muitas escalas, diversos problemas podem ser tratados, e o desenvolvimento de novos métodos e avanços de \"hardware\" e de algoritmos devem fazer com que ainda mais problemas sejam tratáveis no futuroAbstract: Low-dimensional carbon nanostructures have been a hot topic of research, but many challenges remain. One is to _nd new low-dimensional materials. Another is to create macroscopic assemblies and devices that make use of the exceptional properties of nanostructures like carbon nanotubes (CNT) and graphene. From a theoretical point of view, there is a need both to explain and to predict new materials and assemblies. These studies need to be carried out in different scales, with different tools. In this thesis, five problems were studied, spanning four scales: (i) We showed how porous graphene can be converted to Biphenylene Carbon by dehydrogenation. We used DFT on a scale of ~ 1 nm. (ii) We showed that the graphynes ?, ? and ? oxidate at different rates, with only the latter being resistant to oxidation. We used a reactive force field on a scale of ~ 10 nm. (iii) We studied the self organization of CNTs in serpentines on stepped substrates. We showed that besides the steps the only ingredients needed are a long enough CNT and a forward impulse. We used a non reactive force field on a scale of _ 100 nm. (iv) We simulated the assembly of yarns from CNT forests by pulling tubes from model forests. We showed that during the pulling the larger bundles in the forest are brought together by the smaller ones. We also proposed that a degree of amorphous carbon might be beneficial to yarn drawing. We used a non reactive force field on a scale of ~ 100 nm. (v) We found that the torsional actuation of carbon nanotube yarns should not scale well with increasing diameters using finite element models. We also showed that a mechanism that was proposed to explain the increase in tensile actuation in certain situations was not in accordance with linear elasticity. We used continuum models on a scale of ~ 100 µm. By making use of different methods to study many scales, many problems can be treated, and the development of new methods and advances in hardware and in algorithms mean that even more problems should be tractable in the futureDoutoradoFísicaDoutor em Ciência