Generarea computațională automatizată a unor nanostructuri de carbon ce se aseamănă cu nanocoșuri ce au excelente proprietăți termice
Sorin Muraru
Nanostructurile de carbon sunt din ce în ce mai populare în rândul cercetătorilor din comunitatea științifică, întrucât acestea prezintă un potențial ridicat pentru o multitudine de aplicații din domeniul biomedical, electronic, al biosenzorilor, al înmagazinării de gaz sau al membranelor de separare selectivă. Nanocoșul de carbon este o nanostructură compusă, propusă în 2016 de Zhang et al., formată prin alipirea unui nanotub de carbon de un nanocon de carbon. Această structură are proprietăți excelente de conductivitate termică și poate fi folosită pentru a realiza o conexiune mai puțin abruptă în cazul grafenelor conectate prin multiple nanotuburi de carbon.
Nanocoșul de carbon este la ora actuală propus doar sub formă de model computațional, întrucât nu a fost încă sintetizat în practică, iar studierea sa se efectuează la nivel teoretic. Metodele computaționale, cum ar fi simulările de dinamică moleculară sau calculele folosind teoria funcționalei de densitate, sunt folosite pentru a investiga rolul său de diodă termică, pe lângă alte proprietăți de interes. Pentru ca aceste studii să poată fi efectuate la scară largă, este nevoie de foarte multe modele computaționale ale nanostructurii, de diferite dimensiuni și topologii.
Cu scopul de a automatiza generarea modelelor computaționale a nanocoșului de carbon, a fost creat un algoritm pe baza căruia se pot produce independent nanotubul de carbon și nanoconul de carbon, iar acestea pot fi conectate conform unei metodologii bine definite. Algoritmul poate fi rulat în Python, dar poate fi transpus și în alte limbaje de programare. Bazate pe o geometrie vectorială, calculele și formulele folosite formează nanostructura, iar coordonatele fiecărui atom sunt scrise într-un fișier universal compatibil cu programele de editare moleculară, anume .pdb.
Folosind această unealtă, se facilitează studiile teoretice și predictive ale nanocoșului de carbon. Inspirația inițială a pornit de la studii atât matematice, cât și computaționale, cu precădere studiul CoNTub efectuat de Melchor și Dobado (ce conectează două nanotuburi de carbon între ele) și cel al lui Zhang, Ren, Ye și Dong (ce conectează o grafenă cu un nanotub de carbon în mod abrupt). Algoritmul se folosește de conceptul legăturilor suspendate, anume acei atomi de carbon care mai pot forma legături cu alți atomi în rețeaua hibridizată sp2, împreună cu anumite structuri auxiliare ce sunt adăugate în cazul unor distanțe prea mari, și deci nefezabile din punct de vedere chimic, între atomi. Rezultatele obținute folosind acest algoritm sunt validate de teorema lui Euler din geometrie, care în urma calculelor relevă o topologie a nanostructurilor obținute, consistentă cu literatura de specialitate.