"结构与环境因素对Pop-石墨烯纳米管力学性能的调控机制：弹性模量、极限应力与韧性的分子动力学研究"

本研究针对新型碳材料pop-graphene纳米管的结构-性能关系展开分子动力学模拟，系统分析了手性(armchair/zigzag)、尺寸(长度50-150 ?、直径)、壁数(1-5层)及温度(200-1000 K)等变量对力学性能的影响。研究发现armchair构型因垂直键排列呈现延展性断裂(极限应力1068.3→697.7 GPa)，zigzag构型因角度键排列表现脆性断裂(791.5→588.4 GPa)，多壁结构使强度降低17.4%，热软化导致弹性模量下降56.2%，为纳米复合材料及NEMS器件设计提供理论依据。

　　

在纳米材料研究领域，碳基材料的性能调控始终是科学家们追逐的热点。从石墨烯到碳纳米管，这些材料的非凡力学性能已经改变了多个技术领域的发展轨迹。然而，随着新型碳同素异形体pop-graphene的发现，研究人员面临新的挑战：这种具有独特晶格结构的二维材料在卷曲成纳米管形态时，其力学行为会如何响应结构参数和环境因素的变化？这个问题的答案对于开发下一代纳米复合材料、纳米机电系统(NEMS)和高性能结构材料至关重要。

传统碳纳米管的研究已经揭示了手性对力学性能的重要影响，但pop-graphene纳米管因其特殊的原子排列方式，可能展现出截然不同的力学响应机制。特别是在实际应用中，纳米管往往需要承受复杂的环境条件，包括温度波动、结构缺陷和多层堆叠等，这些因素如何影响其力学稳定性仍属未知。

针对这些问题，研究人员采用分子动力学(MD)模拟系统研究了pop-graphene纳米管的力学性能。通过AIREBO-mod反应力场精确模拟原子间相互作用，重点分析了弹性模量(Elastic Modulus)、极限应力(Ultimate Stress)和韧性(Toughness)三大关键指标。研究覆盖了从50 ?到150 ?的长度范围、不同直径尺寸、armchair与zigzag两种手性构型、1-5层多壁结构，以及200 K至1000 K的温度区间，建立了全面的结构-性能关系图谱。

关键技术方法包括：1)采用LAMMPS软件包进行分子动力学模拟；2)AIREBO-mod反应力场模拟键断裂与重组；3)速度Verlet算法确保数值稳定性；4)多参数组合的对照实验设计；5)统计平均法处理重复模拟数据。

Modeling approach
研究团队建立了精确的原子模型，采用AIREBO-mod势函数描述碳原子间的多体相互作用，该势函数特别适用于模拟共价键断裂和重构过程。模拟过程中通过控制应变速率和边界条件，再现了纳米管在实际负载下的变形行为。

Results
温度效应研究表明，当温度从200 K升至1000 K时，armchair构型的弹性模量下降56.2%，zigzag构型下降61.6%，显示显著的热软化现象。尺寸效应分析揭示：长度增加导致armchair构型极限应力降低34.7%，而直径增大使armchair和zigzag构型的极限应力分别提升19.05%和20.52%。多壁结构对比显示，壁数从1层增至5层时，两种构型的极限应力分别下降17.4%和16.5%。

Conclusion
该研究系统阐明了pop-graphene纳米管的各向异性力学响应机制：armchair构型因垂直键排列表现出类延展性变形，能有效吸收断裂能量；zigzag构型则因角度键排列呈现脆性断裂特征。温度升高引发显著的热软化效应，而多壁结构产生的层间滑移导致强度降低。这些发现为精准设计具有定制力学性能的pop-graphene纳米管提供了理论指导，特别是在需要平衡强度与韧性的NEMS器件和航空航天复合材料领域具有重要应用价值。

研究还发现，pop-graphene纳米管对结构缺陷的敏感性低于传统碳材料，这一特性使其在复杂环境下的应用更具优势。通过调控手性、尺寸和层数等参数，可以实现从柔性电子到超强结构材料的多样化应用，为新型碳纳米材料的性能优化开辟了新途径。