Modeling and simulation of the electro-mechanical behavior of carbon nanotubes

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2012 to 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213150194

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts konnte zunächst ein mechanisches Modell und später ein elektrisches Modell erstellt werden. Für das mechanische Modell wurde als Ausgangspunkt ein bereits bestehendes Modell genutzt. Durch intensive Untersuchungen konnte dieses Modell hinsichtlich der verwendeten Geometrie als auch im Bezug auf das Deformationsverhaltens verbessert werden. Mit dem erstellten Modell wurden virtuelle Zugversuche durchgeführt. Dadurch konnten Elastizitätsmodul und Poissonzahl für unterschiedliche Kohlenstoffnanoröhren ermittelt werden. Das Modell konnte zusätzlich erfolgreich auf mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren angewendet werden. Auch gelang es ein Fasermodell zu erstellen. In einer zweiten Phase des Projekts wurde das mechanische Modell so erweitert, dass es in der Lage ist, große Deformationen der einzelnen Bindungen abbilden zu können. Durch die Anwendung eines elektrostatischen Modells konnten sowohl die Ladungen als auch die Dipolmomente an den Atompositionen in der CNT-Röhre bestimmt werden. Daraus resultierend lassen sich die wirkenden Kräfte in der Röhre ableiten. Anschließend konnte das erstellte mechanische Modell erfolgreich mit dem elektrischen Modell gekoppelt werden. Ausgehend von dem Einweg-gekoppelten Modell konnte anschließend der Einfluss geometrischer Parameter bei Vorgabe verschiedener elektrischer Feldstärken sowie verschiedener Gesamtladungen für einzelne CNT sowie Nanotweezer ermittelt werden. In den beiden Projektphasen konnten die Ziele vollständig erreicht und eine Vielzahl an Veröffentlichungen publiziert werden.

Publications

• Investigation of Multi Wall Carbon Nanotubes and Nanotube assemblies by a molecular mechanics approach. PAMM, 14(1), 433-434.
  Eberhardt, Oliver; Guenther, Margarita & Wallmersperger, Thomas
  
• Mechanical properties and deformation behavior of carbon nanotubes calculated by a molecular mechanics approach. Smart Structures and Systems, 13(4), 685–709.
  Eberhardt, Oliver & Wallmersperger, Thomas
  
• Energy consistent modified molecular structural mechanics model for the determination of the elastic properties of single wall carbon nanotubes. Carbon, 95(2015, 12), 166-180.
  Eberhardt, Oliver & Wallmersperger, Thomas
  
• Molecular mechanics methods for individual carbon nanotubes and nanotube assemblies. SPIE Proceedings, 9432(2015, 4, 1), 94320G. SPIE.
  Eberhardt, Oliver & Wallmersperger, Thomas
  
• Advanced molecular structural mechanics model for carbon nanotubes incorporating the 2nd generation REBO potential. International Journal of Engineering Science, 144(2019, 11), 103137.
  Eberhardt, Oliver & Wallmersperger, Thomas
  
• Numerical simulation of the mechanical behavior of a carbon nanotube bundle. Acta Mechanica, 232(2), 483-494.
  Mählich, Daniel; Eberhardt, Oliver & Wallmersperger, Thomas
  
• “Untersuchung des Verhaltens von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit einem neu entwickelten molekularmechanischen Modell”. Dissertation, Institut für Festkörpermechanik, Technische Universität Dresden (2020)
  Eberhardt, Oliver
  
• Electrostatic charge distribution in armchair and zigzag carbon nanotubes: a numerical comparison of CNT charge models. Acta Mechanica, 234(1), 1-16.
  Lönnecke, K.; Eberhardt, O. & Wallmersperger, T.
  
• Grasping the little things: Modeling and simulation of the electromechanical behavior of individual carbon nanotubes and nanotweezers. Carbon Trends, 9(2022, 10), 100192.
  Menning, Johannes D.M.; Eberhardt, Oliver & Wallmersperger, Thomas