手性及宽度效应对具有冠烯边缘的纳米带弹性及断裂性能的影响

摘要

冠烯（Coronenes）是一类多环芳烃，由以特定方式排列的融合苯环组成。冠烯的结构会根据融合苯环的数量而有所不同，其中最常见的形式是六苯并冠烯（hexabenzocoronene），它由六个苯环以环状结构融合而成。2012年，基于冠烯的纳米带（CNRs）成功合成。尽管已经研究了CNRs的多种性质，但对其机械性能的全面表征以及边缘对其影响的研究仍较为缺乏。本研究探讨了CNRs的宽度和手性如何影响其在拉伸应力下的机械性能。为了确定边缘对这些性能的影响，还研究了与CNRs宽度相同的矩形纳米带。分析了不同宽度的CNRs，并从中获得了弹性常数。研究结果表明，CNRs的机械性能从准一维（1D）系统向二维（2D）系统发生了转变，其中最窄和次窄的CNRs之间的变化最为显著。AC型CNRs的峰值应力比ZZ型CNRs大约高40 GPa。由于键合方向的不同，具有扶手椅式（AC-CNR）和之字形（ZZ-CNR）边缘的CNRs对应变的响应也有所不同，AC型CNRs能够承受更大的应变。除了最窄的纳米带外，所有宽度的纳米带的断裂模式都相似。此外，CNRs的弹性常数随宽度的增加而增大，接近石墨烯的1 TPa值，这与预期一致。然而，CNRs的杨氏模量随宽度的增加呈现出有趣的趋势：前五种最窄的AC型CNRs的杨氏模量大于前五种最窄的ZZ型CNRs的杨氏模量，而宽度较大的CNRs则相反。这一结果通过AC型和ZZ型CNRs边缘形状的差异进行了解释。