Uso de algoritmo genético e simulações atomísticas para otimização e análise das propriedades de nanofilamentos de carbono

Nanofilamentos de carbono (NTHs) são materiais unidimensionais sintetizados a partir de moléculas aromáticas variadas, como benzeno e compostos heterocíclicos. NTHs despertaram grande interesse científico e tecnológico devido às suas propriedades mecânicas, que combinam a resistência dos nanomateriais de carbono com a flexibilidade dos polímeros. Entretanto, há carências na literatura quanto ao entendimento das relações estrutura-propriedade desses materiais, como a ausência de trabalhos teóricos sobre nanofilamentos derivados de moléculas heterocíclicas de cinco membros, e a dificuldade de se estudar sistematicamente estruturas complexas desses materiais (formadas a partir de benzeno). O presente trabalho procura contribuir em ambos os aspectos a partir de uma combinação de cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT), simulações de dinâmica molecular, e a implementação de um algoritmo genético. Cálculos DFT revelaram que NTHs derivados de tiofeno, furano e pirrol possuem boa estabilidade e propriedades mecânicas excelentes, bem como um band gap eletrônico inferior ao dos materiais derivados de benzeno, devido à presença de heteroátomos, o que sugere que esses NTHs podem ser usados em aplicações nanoeletrônicas. O algoritmo genético implementado foi capaz de gerar NTHs complexos com diferentes propriedades otimizadas, como estabilidade relativa (baixa energia) e rigidez (alto Módulo de Young), mostrando ser um método eficaz para a exploração sistemática de novas estruturas desses materiais.Carbon nanothreads (NTHs) are one-dimensional materials synthesized from varied aromatic molecules, like benzene and heterocycilic compounds. NTHs arouse great scientific and technological interest due to their mechanical properties, which combine the strength of carbon nanomaterials with the flexibility of polymers. However, there are gaps in the literature in regard to the understanding of the structure-property relationships in these materials, such as the lack of theoretical works on NTHs derived from five-membered heterocyclic molecules, and the difficulty of systematically studying the complex structures of these materials (formed from benzene). This work attempts to contribute to both questions with a combination of Density Functional Theory (DFT) calculations, molecular dynamics simulations, and the implementation of a genetic algorithm. DFT showed that NTHs derived from thiophene, furan and pyrrole exhibit good stability and outstanding mechanical properties, as well as a band gap inferior to those of benzene-derived materials, due to the presence of heteroatoms, which suggests that these NTHs may be potentially used in nanoelectronic applications. The implemented genetic algorithm was able to generate complex NTHs with different optimized properties, such as relative stability (low energy) and stiffness (high Young’s Modulus), showing to be an effective method for the systematic exploration of new structures for these materials

ChemStruct : um pacote em Python para análise estrutural de sistemas atômicos e auxílio em simulações de dinâmica molecular

Ferramentas computacionais de análise estrutural são de grande interesse em simulação molecular, uma vez que a predição da dinâmica das partículas depende das interações entre elas, que por sua vez são regidas pela configuração atômica local. Em vista disso, aqui é apresentado o ChemStruct, um pacote desenvolvido em Python para classificação atômica e identificação de grupos funcionais em moléculas, bem como para a geração de arquivos de entrada adequados para simulações de dinâmica molecular no pacote LAMMPS. Neste trabalho são descritas e avaliadas as partes centrais do código, como o algoritmo classificador e os dois métodos implementados para o cálculo das ligações químicas. As estruturas identificadas pelo pacote são validadas, e exemplos de auxílio em simulações de dinâmica molecular são apresentados, demonstrando que o pacote cumpre bem seus objetivos. Em suma, o ChemStruct ajuda a elucidar as características estruturais de uma grande gama de moléculas, auxiliando na compreensão de suas propriedades geométricas e vibracionais e possibilitando simulações de dinâmica molecular com parametrização adequada. Essa ferramenta pode ser utilizada por químicos teóricos, cientistas de materiais e engenheiros do âmbito computacional, e também como instrumento didático

Peering into the formation of template-free hierarchical flowerlike nanostructures of SrTiO3

The development of efficient advanced functional materials is highly dependent on properties such as morphology, crystallinity, and surface functionality. In this work, hierarchical flowerlike nanostructures of SrTiO3 have been synthesized by a simple template-free solvothermal method involving poly(vinylpyrrolidone) (PVP). Molecular dynamics simulations supported by structural characterization have shown that PVP preferentially adsorbs on {110} facets, thereby promoting the {100} facet growth. This interaction results in the formation of hierarchical flowerlike nanostructures with assembled nanosheets. The petal morphology is strongly dependent on the presence of PVP, and the piling up of nanosheets, leading to nanocubes, is observed when PVP is removed at high temperatures. This work contributes to a better understanding of how to control the morphological properties of SrTiO3, which is fundamental to the synthesis of perovskite-type materials with tailored properties

Exfoliation mechanisms of 2D materials and their applications

Due to the strong in-plane but weak out-of-plane bonding, it is relatively easy to separate nanosheets of two-dimensional (2D) materials from their respective bulk crystals. This exfoliation of 2D materials can yield large 2D nanosheets, hundreds of micrometers wide, that can be as thin as one or a few atomic layers thick. However, the underlying physical mechanisms unique to each exfoliation technique can produce a wide distribution of defects, yields, functionalization, lateral sizes, and thicknesses, which can be appropriate for specific end applications. The five most commonly used exfoliation techniques include micromechanical cleavage, ultrasonication, shear exfoliation, ball milling, and electrochemical exfoliation. In this review, we present an overview of the field of 2D material exfoliation and the underlying physical mechanisms with emphasis on progress over the last decade. The beneficial characteristics and shortcomings of each exfoliation process are discussed in the context of their functional properties to guide the selection of the best technique for a given application. Furthermore, an analysis of standard applications of exfoliated 2D nanosheets is presented including their use in energy storage, electronics, lubrication, composite, and structural applications. By providing detailed insight into the underlying exfoliation mechanisms along with the advantages and disadvantages of each technique, this review intends to guide the reader toward the appropriate batch-scale exfoliation techniques for a wide variety of industrial applications

ChemStruct : um pacote em Python para análise estrutural de sistemas atômicos e auxílio em simulações de dinâmica molecular

Ferramentas computacionais de análise estrutural são de grande interesse em simulação molecular, uma vez que a predição da dinâmica das partículas depende das interações entre elas, que por sua vez são regidas pela configuração atômica local. Em vista disso, aqui é apresentado o ChemStruct, um pacote desenvolvido em Python para classificação atômica e identificação de grupos funcionais em moléculas, bem como para a geração de arquivos de entrada adequados para simulações de dinâmica molecular no pacote LAMMPS. Neste trabalho são descritas e avaliadas as partes centrais do código, como o algoritmo classificador e os dois métodos implementados para o cálculo das ligações químicas. As estruturas identificadas pelo pacote são validadas, e exemplos de auxílio em simulações de dinâmica molecular são apresentados, demonstrando que o pacote cumpre bem seus objetivos. Em suma, o ChemStruct ajuda a elucidar as características estruturais de uma grande gama de moléculas, auxiliando na compreensão de suas propriedades geométricas e vibracionais e possibilitando simulações de dinâmica molecular com parametrização adequada. Essa ferramenta pode ser utilizada por químicos teóricos, cientistas de materiais e engenheiros do âmbito computacional, e também como instrumento didático