Anisotropic-cyclicgraphene: A new two-dimensional semiconducting carbon allotrope

Potentially new, single-atom thick semiconducting 2D-graphene-like material, called Anisotropic-cyclicgraphene, have been generated by the two stage searching strategy linking molecular and ab initio approach. The candidate derived from the evolutionary based algorithm and molecular simulations was then profoundly analysed using first-principles density functional theory from the structural, mechanical, phonon, and electronic properties point of view. The proposed polymorph of graphene (rP16-P1m1) is mechanically, dynamically, and thermally stable and can be semiconducting with a direct band gap of 0.829 eV.Comment: 15 pages, 14 figure

Simulation and Analysis of Vacancies in Carbon Nanostructures

The discovery of the Buckminsterfullerenes in 1985 marked the beginning of the research field in carbon nanostructures. Since then, several more carbon allotropes existing in the nanoscale have been discovered, most notably the carbon nanotube and graphene. Due to the small scale of these materials, research is difficult, and production requires state of the art equipment to create even small samples. However, study has only increased with the accumulation of desirable properties these materials hold, boasting thermal and electrical conductivity, as well as immense strength. As the properties of carbon nanostructures continue to emerge, numerous research groups in academia have begun studying the synthesis and applications of these versatile materials. This thesis aims to provide a supplementary insight to how the behavior of a vacancy in carbon nanostructures changes when energy is added to the system. While research of this kind is often done in a laboratory, this analysis is conducted in a digital environment, examining the relevance of simulations in comparison to ideal results. The two primary software packages used for the simulations are Atomic Simulation Environment (ASE) and Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). ASE provides tools to build, visualize, and export atomistic structures. These tools were used to generate and prepare the carbon nanotube and graphene nanoribbon for the forth-coming simulations. LAMMPS imports the exported ASE structures and executes the molecular dynamics simulations using the Tersoff potential for interatomic interactions. Digital experiments regarding phenomena in natural science is enhancing how modern re-search is conducted. They provide both valuable insights to experiments and can model hypothetical scenarios that are difficult to physically execute. Simulations do have limitations such as system size and complexity of the model. The molecular dynamics simulations con-ducted in this project can be ran on a personal computer; however, some systems require considerable computation, needing the computing power a supercomputer. While there will always be need for the laboratory, simulations can be an economical and effective means for augmenting research

Detecting Delamination in Carbon Fiber Composites Using Piezoresistive Nanocomposites

Carbon fiber prepreg composites are utilized successfully as structural materials for different lightweight aerospace applications. Delamination is a critical failure mode in these composite materials. As composite plies separate from each other, the composite loses some of its ability for supporting expected loads. Therefore, detection of delamination at right time is a foremost significance. This study presents a new way for detecting delamination in composite plates using piezoresistive nanocomposites. This new procedure is setup and studied through both experimental and computational investigations. In this research, nanocomposites with 5% coarse graphene platelets are fabricated for detecting delamination. 8-ply carbon fiber prepreg composite samples are fabricated by placing a Teflon film between layers of prepreg. Piezoresistive nanocomposites are attached on top of prepreg laminate samples using epoxy resin. The change in electrical resistivity of these nanocomposites due to the induced strain from flexural test (three point bend test) on delaminated and neat composite laminates are monitored to demonstrate the delamination detection and neat composite laminates are monitored to demonstrate the delamination detection method. A non-linear finite element model is developed using Abaqus software suite to compliment the mechanical testing. Virtual Crack Closure Technique (VCCT) is used to model a delamination in the composite sample. Experimental results and the simulations in this study indicate that piezoresistive nanocomposites can be used for detecting delamination in carbon fiber composite materials

Graphene Nanocomposites Studied by Raman Spectroscopy

The goal of this chapter is to provide a general introduction about graphene nanocomposites studied by Raman spectroscopy. The chapter will therefore begin with a brief description of the major Raman bands of carbon allotropes. In the following chapter a concise comparison between single walled carbon nanotubes (SWCNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), fullerenes and graphene is exposed. The characteristic features in Raman spectra of carbon allotropes, namely the intense signals D and G are investigated. In particular, the chapter will outline the Raman spectrum of graphene and different types of graphene oxide. The last part of the chapter is devoted to graphene nanocomposites

Effects Of Spatial Distribution Of Fullerene On The Mechanical Behavior Of Graphene Fullere Composites

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Son yıllarda ortaya konulan ciddi deneysel ve teorik araştırmalara paralel olarak, nanoteknoloji içerisinde önemli bir yer sahibi olan ‘nanomalzemeler’ önemli ve ilgi çeken bir bilim alanı olmuştur. Bir çok çalışma göstermiştir ki; yakın gelecekte, daha kompleks mühendislik yapılarının meydana getirilmesinde nanomalzemelerin üstün fiziksel ve kimyasal özelliklerinden ciddi oranda yararlanılacaktır. Örneğin, konvansiyonel malzemelerden daha iyi performansa sahip ultra hafif malzemelerin dizaynı yakın gelecekte mümkün olacaktır. Bu açıdan değerlendirildiğinde, karbon temelli malzemeler, grafen, karbon nanotüpler (CNTs) ve fulleren her disiplinden bir çok araştırmacının dikkatini çekmektedir. Karbon yapılı malzemelerin doğasını anlamak için karbonun elektronik yapısının detaylı olarak incelenmesi ve bilinmesi gerekir.Karbon 6 elektronlu (1s2, 2s2, 2p2) yapısıyla diğer bir çok element ile kolay bağ kuran bir yapıya sahiptir. Bunla beraber karbon kendi içerisinde de bağ kurabilir ve bu sebeple doğada allotroplarıyla bilinen bir elementtir. Elmas ve grafit karbon allotrobu olarak uzun çağlardır bilinmektedir. Ancak tamamen yeni karbon formları olan fulleren, grafen ve karbon nanotupler son 30 yılda bulunan yeni karbon formlarıdır. Fulleren ilk olarak ‘buckminsterfullerene’ ismiyle Kroto tarafından 1985 yılında rapor edilmiştir.C60 molekülü en yaygın bilinen fulleren yapısıdır ve 12 tane beşgen, 20 tane altıgen yüzeyin simetrik olarak dizilmesiyle elde edilen küresel bir moleküldür. Bu yapısıyla fulleren, Euler teoremine uyum sağlamaktadır. Fulleren sp2 bağ yapısıyla çok güçlü bir moleküler yapıya sahiptir ve çok büyük basınç yüklerine karşı dayanım gösterebilir. Fullerenler 3000 atmosfer basınca maruz kaldıktan sonra üzerindeki yük kaldırıldığında, ilk hallerine dönebilecek kadar dayanımı yüksek malzemelerdir. Bu açıklamaya paralel olarak teorik hesaplar göstermektedir ki bir C60 molekülünün elastiklik modülü yaklaşık olarak 668 GPa mertebesindedir. Fullerenlerden farklı olarak, grafen, iki boyutlu kristal bir yapıya sahiptir. Grafitten çeşitli üretim teknikleriyle elde edilen, tek atom kalınlığında karbon atomlarının altıgen formda yerleşmesiyle elde edilmektedir. İlk kez 2004 yılında üretimi gerçekleştirilmiştir ve o tarihten itibaren bilim ve endüstri dünyasından bir çok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda grafenin elastiklik modülünün 500 GPa mertebesinde olduğu bilinmektedir. Grafen %15 gerinim altında dahi serbest bırakıldığında ilk haline dönebilmektedir. Bu çalışmada, grafen katmanlarının arasına fulleren yapıları yerleştirilerek tamimiyle yeni bir malzeme modeli önerilmiş ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Test modellerinde fullerenler grafen katmanları arasına rastgele ve düzenli olarak yerleştirilerek,,grafen katmanları üzerindeki dağılımlarının, malzemenin mekanik özelliklerine ve enerji depolama kabiliyetine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla fullerenlerin altıgen, kare, döndürülmüş altıgen ve rastgele dağıltılmasıyla 4 farklı test modeli oluşturulmuştur. Her test modeli on bir grafen katmanından oluşmaktatır. Bu çalışmada C180 tipi fulleren yapıları kullanılmıştır. Bu varsayımlar kullanılarak, mekanik davranışlarının incelenmesi maksadıyla her dört farklı fulleren dağılımına sahip test numunelerinin moleküler dinamik (MD) yöntemiyle basma yükü altındaki davranışı incelenmiştir. Temel olarak MD kompleks malzeme sistemlerinin mekanik davranışlarının bilgisayar ortamında atomik seviyede incelenmesine olarak sağlayan bir tekniktir. Geçmişte bilimin ilerlemesi tamimiyle deneysel ve teorik çalışmalara dayanmaktaydı. Ancak atomik boyutta istenilen deneylerin yapılabilmesi çoğu zaman mümkün olmamakla beraber, gerçekleştirilebilen bir çok test ve deney ise çok yüksek teknolojiye ihtiyaç duyduğundan oldukça pahalıdır. Öte yandan teorik çalışmalar ise analitik ve nümerik olarak bir çok varsayıma dayandığı için ancak limitli sayıda özel durumlar için kullanılabilir durumdadır. İşte tam bu noktada bilgisayar tabanlı MD metotları erişilebilir deneysel çalışmalarla teorik varsayımlar arasında bir köprü görevi görerek araştırmacılar için ciddi bir fırsat sunmaktadır. MD metotları temelde fiziksel sistemin tanımlanmasına göre iki ayrı kategoriye ayrılmaktadır. Bunlardan ilki ‘klasik mekanik’ yaklaşımı olarak adlandırılmaktadır ve Newton fiziğine dayanmaktadır. İkinci yöntem ise ‘kuantum mekanik’ yöntemlerine dayanmaktadır ve bu yöntemde kimyasal bağların yapısı kuantum denklemeleri kullanılarak hesaplanmaktadır. İlk olarak 1980’li yılların başlarında kullanılmaya başlanılan kuantum tabanlı MD metotları, klasik MD yöntemlerine göre çok daha doğru sonuçlar sağlamaktadır. Ancak kuantum tabanlı MD simülasyonları çok daha fazla bilgisayar kapasitesine ihtiyaç duymaktadır. Bu sebeple ancak daha küçük modellerde, bir kaç nanosaniye mertebelerinde kullanımları mümkün olmaktadır. Öte yandan gerçek sonuçlardan belli hata miktarlarıyla sonuç veren klasik MD yöntemleri daha büyük yapıların daha uzun süreli olarak modellenmesine olanak vermesi açısından yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu çalışmada da oluşturulan fulleren-grafen nano-kompozit malzemelerin mekanik davranışları, klasik MD yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Klasik MD programı olarak bu çalışmada ‘Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS)’ kullanılmıştır. Ayrıca analiz sonuçlarının incelenmesi ‘Open Visualization Tool (OVITO)’ yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Kullanılan moleküler dinamik programı atom modellemesine izin vermemektedir. Bu sebeple, nano-kompozit malzemeye ait atom koordinatları ‘MATLAB’ ortamında kod yardımıyla oluşturulup, daha sonra LAMMPS ortamına aktarılmıştır. Atomlar moleküler dinamik simülasyon ortamına tanıtıldıktan sonra karbon atomları arasındaki bağ kuvvetlerini modellemek amacıyla ‘Adaptive intermolecular reactive bond order (AIREBO)’ potansiyeli kullanılmıştır. AIREBO potansiyeli karbon içeren yapılarda bağ kuvvetlerinin modellenmesinde en yaygın olarak kullanılan potansiyeldir. Ayrıca atomlar arasında fiziksel olmayan kuvvetlerin oluşmasını engellemek amacıyla karbon atomları arasında bağ oluşmuşumunda mesafe kontrolü kullanılmıştır. Bu çalışmada iki karbon arasında bağ kuvveti oluşması için tanımlanan maksimum mesafe 2 Angström olarak belirlenmiştir. Karbon atomları arasındaki bağ kuvvetleri tanımlandıktan sonra, test modelleri simülasyon ortamında şartlandırılmıştır. Tüm test modellerinde basınç değeri sıfıra eşitlenmiştir. Böylelikle basma yükü uygulanmadan önce test modellerinde artık gerilme ortadan kaldırılmıştır. Bu çalışmada fulleren atomlarının grafen katmanları arasına dağılımlarının, malzemenin mekanik özeliklerine etkisinin incelenmesine ek olarak, önerilen yeni malzemenin davranışının, sıcaklık ve gerinim hızına hassasiyeti de incelenmiştir. Bu amaçla basma yükü uygulanmadan önce test modelleri 300 K, 500 K ve 700 K sıcaklığında şartlandırılmış ve modellerin kararlı hale ulaştığından emin olunmuştur. Basma hızının malzemenin mekanik özeliklerine ve enerji sönümleme karakterine etkisini incelemek için ise modeller 0.002 ps-1, 0.004 ps-1 ve 0.006 ps-1 gerinim hızlarında yüklenmiştir. Analizler tamamlandıktan sonra ise test modellerinin mekanik davranışlarını incelemek amacıyla gerilme-gerinim grafikleri oluşturulmuştur. Bu grafiklerle malzemelerin karakterlerinin belirlenmesine ek olarak, grafiklerin altında kalan alanın hesaplanmasıyla malzemelerin ne kadar enerji sönümlediği de hesaplanabilmiştir. Bu çalışmanın sonucu olarak fullerenlerin, farklı uzaysal pozisyonlarda grafen katmanları arasında dağıtılması malzemenin basma gerilme seviyelerini değiştirmekle beraber malzemelere ait gerilme-gerinim grafiğinin karakteri üzerinde de ciddi bir etkisinin olduğu gözlemlenmiştir. Altıgen ve kare fulleren dağılımlarının mekanik ve enerji sönümleme karakteri konvansiyonel köpük malzemelerle benzerlik göstermesine rağmen, döndürülmüş altıgen ve rastgele fulleren dağılımlarının tamamen farklı davrandığı rapor edilmiştir. Bu çalışmada sıcaklık ve gerinim hızına bağlı malzeme özelliklerindeki değişimler de incelenmiştir. Sonuç itibariyle; sıcaklığın malzeme davranışı üzerinde önemli bir etkisi olmadığı sonucuna varılmıştır. Ancak elastiklik modülünün sıcaklık artışıyla beraber düşme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Diğer bir parametre olan gerinim hızının ise, gerilme-gerinim grafiğinin karakterine etkisinin olmadığı sonucuyla beraber, yüksek gerinim hızlarının daha yüksek pik gerilme değerlerine sebep olduğu sonucuna varılmıştır.Carbon based nanostructures such as carbon nanotubes (CNTs), graphene and fullerenes have attracted great attention due to their remarkable thermal, mechanical and electrical properties. In the last years, hybrid carbon nanomaterials, which enable to construct higher scale, tailorable materials consisting of coupled nanostructures such as graphene-CNT, fullerene-CNT and graphene-fullerene, are in the focus of researchers. In this respect, this study examines the mechanical characteristics of a hybrid nanostructured material that consists of fullerenes covalently sandwiched between parallel graphene sheets. After checking stability of the covalent junctions and thermodynamic feasibility of the overall nanostructure by monitoring the free energy profiles over a sufficiently long period through molecular dynamics simulations (MD),as the main objective of this study, the effects of layerwise spatial distribution of fullerenes on the compressive mechanical properties are investigated. For this purpose, atomistic models for the proposed fullerene-graphene composite structures are generated by the use of C180 fullerene with different spatial arrangements between graphene sheets. Random and ordered type fullerene dispersions are considered as two main fullerene distribution schemes employed in the atomistic modelling process. Comparisons are performed between fullerene-graphene composite structures with randomly and evenly distributed fullerenes in terms of elastic mechanical properties and energy absorbing characteristics. In this regard, compressive loading tests at different strain rates and various temperatures are performed via MD simulations to capture the mechanical response of sandwiched fullerene-graphene structures with different fullerene arrangements. In the MD simulations, the four nanostructures were assumed to be different spatial fullerene arrangement between graphene layers and results were compared. It was found that spatial distribution of fullerenes has remarkable influence on both compressive stress level and stress-strain characteristic of the novel fullerene –graphene foams. Mechanical response of the hexagonal and square fullerene arrangement models are in good agreement with both each other and conventional foam materials while rotated hexagonal and randomly fullerene distributed models are exhibited totally unique mechanical behaviours due to their special structures. In addition to investigation of spatial fullerene distribution effects on mechanical properties of the fullerene-graphene specimens, temperature and strain rate sensitivity of nano foams are studied in this thesis. As a consequence of certain MD simulation results, applied temperatures have no major impact on stress-strain curve tendency; however, young modulus of the materials tend to decrease with higher employed temperature level. In parallel that mechanical tests of fullerene-graphene foams under uniaxial compression show that the form of the stress-strain diagram does not depend on the applied strain rates. However, higher strain rates in general lead to higher stresses under compression at the beginning of the plateau regime and densification phase.Yüksek LisansM.Sc

Nanomaterials for Healthcare Biosensing Applications

In recent years, an increasing number of nanomaterials have been explored for their applications in biomedical diagnostics, making their applications in healthcare biosensing a rapidly evolving field. Nanomaterials introduce versatility to the sensing platforms and may even allow mobility between different detection mechanisms. The prospect of a combination of different nanomaterials allows an exploitation of their synergistic additive and novel properties for sensor development. This paper covers more than 290 research works since 2015, elaborating the diverse roles played by various nanomaterials in the biosensing field. Hence, we provide a comprehensive review of the healthcare sensing applications of nanomaterials, covering carbon allotrope-based, inorganic, and organic nanomaterials. These sensing systems are able to detect a wide variety of clinically relevant molecules, like nucleic acids, viruses, bacteria, cancer antigens, pharmaceuticals and narcotic drugs, toxins, contaminants, as well as entire cells in various sensing media, ranging from buffers to more complex environments such as urine, blood or sputum. Thus, the latest advancements reviewed in this paper hold tremendous potential for the application of nanomaterials in the early screening of diseases and point-of-care testing