MODELAGEM MOLECULAR DE NANOESTRUTURAS: NANOVEÍCULOS

MODELAGEM MOLECULAR DE NANOESTRUTURAS: NANOVEÍCULOS

1_{Aluno do Curso de Física; Campus de Araguaína; e-mail: ribsir@gmail.com; PIBIC/CNPq} 2_{Orientadora do Curso de Física; Campus de Araguaína; e-mail: lydavila@uft.edu.br}

RESUMO

Nanocarros são estruturas moleculares nanométricas que têm demonstrado movimentar-se ao longo de superfícies metálicas. Essas estruturas têm sido estudadas tanto experimentalmente quanto por meio de simulações computacionais. O objetivo deste trabalho foi utilizar a modelagem computacional para construir um modelo de nanocarro e uma superfície metálica a base de Au e estudar o movimento do nanoveículo sobre a superfície. Para tanto, utilizamos métodos de dinâmica molecular, empregando o campo de força Polymer Consistent Force Field (PCFF). Inicialmente, construímos o nanoveículo, um modelo constituído por quatro rodas (moléculas de fulereno), um chassis (anéis arilas fundidos) e eixos (conectores alquinilos). Em seguida, construímos uma superfície de ouro, Au(100) a partir da célula unitária de Au relaxada. Caracterizamos dimensionalmente as estruturas, posicionamos o nanotruck sobre o centro da superfície e atribuímos uma região de vácuo sobre a face da superfície sobre a qual o nanoveículo foi posicionado. Com o sistema nanotruck-superfície montados, realizamos simulações de dinâmica molecular. Obtivemos o movimento do nanotruck sobre a superfície de Au (100) quando o sistema foi submetido a uma temperatura próxima a 500 K. Nossos resultados estão de acordo com os dados encontrados na literatura.

Palavras-chave: nanoveículos; superfície de Au; dinâmica molecular; modelagem computacional. INTRODUÇÃO

Nanocarros são estruturas moleculares nanométricas que têm demonstrado movimentar-se ao longo de superfícies metálicas [1]. Essas estruturas têm sido estudadas tanto experimentalmente quanto por meio de simulações computacionais. Os nanoveículos consistem de três partes mecânicas moleculares básicas: rodas, chassis, e eixos [1, 2]. Entre os modelos mais simples estudados está o nanotruck , um nanoveículo composto de quatro rodas esféricas de fulereno quimicamente acopladas a um chassis planar baseado em grupos arilas por meio de conectores alquinilos [2].

Cálculos teóricos têm sido utilizados para reproduzir as características observadas experimentalmente do movimento de nanocarros em superfícies metálicas [1]. Resultados experimentais têm demonstrado que nanocarros com quatro rodas sobre superfícies metálicas começam a mover-se quando submetidos a temperaturas próximas a 500 K [1]. Métodos de simulação de dinâmica molecular tem sido uma ferramenta conveniente para a investigação de tais sistemas, sendo capazes de replicar os movimentos físicos, podendo ser utilizados para compreender e aperfeiçoar a fabricação de nanocarros [1].

O principal objetivo deste trabalho foi utilizar modelagem computacional para construir um nanoveículo e uma superfície metálica e estudar o movimento do nanoveículo sobre a superfície utilizando simulação computacional. Para isso, utilizamos a metodologia teórica baseada em métodos de dinâmica molecular, empregando o Polymer Consistent Force Field (PCFF) [3], tanto para relaxar as estruturas quanto para obter o movimento do nanoveículo sobre a superfície.

MATERIAL E MÉTODOS

Construímos um modelo de nanoveículo, o nanotruck, e uma superfície de ouro, Au(100). Para obtermos o nanotruck, primeiramente construímos uma molécula de fulereno e replicando-a obtemos as quatro rodas. Em seguida, estruturamos o chassis fundindo anéis arilas, acrescentamos os eixos e conectamos as rodas ao chassis. Concluímos a construção do nanoveículo relaxamos a estrutura. Para construir a superfície, primeiramente, construímos a célula unitária de Au e relaxamos a estrutura. Em seguida, clivamos a célula unitária no plano (100), definimos a profundidade da superfície (cinco vezes o valor da célula clivada). Para obter a estrutura final trasladamos em 35 vezes o plano da superfície após a clivagem.

O sistema nanotruck-superfície foi construído a partir das estruturas relaxada. Inicialmente, dividimos nanoveículo em cinco grupos de movimentação, sendo cada roda um grupo individual e o chassis juntamente com os eixos formando um grupo central de movimento. Após estabelecer essa configuração colocamos o nanoveículo sobre o centro da superfície de Au(100). Em seguida atribuímos uma camada de vácuo de 106,87 Å sobre a superfície para obter a estrutura final a ser submetida à simulação de dinâmica.

As estruturas do nanotruck e a célula unitária de Au foram relaxadas com o campo de força PCFF [3] configurado com o algoritmo conjugate gradient com tolerância de convergência de 0.001

kcal/mol para a energia e 0.5 kcal/mol/Å para a força. Para estudarmos o movimento do nanoveículo sobre a superfície realizamos cálculo de dinâmica utilizando o campo de força PCFF. A dinâmica foi realizada com os seguintes parâmetros: ensemble: NVT; temperatura: 500 K; termostato: Nose; timestep: 1.00 fs; número de steps: 500000; duração: 500 ps.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Antes de realizarmos a simulação de dinâmica caracterizamos dimensionalmente as estruturas do nanotruck e da superfície de Au(100). A seguir descrevemos os resultados obtidos para a caracterização dimensional do nanotruck (ver Figura 1). Rodas. As rodas possuem diâmetro compreendido entre 7,0 e 7,3 Å. Eixos. Medem ~4,0 Å de comprimento. Chassis. Mede ~19,3 Å de comprimento e ~7,1 Å de largura. Nanotruck. A área total ocupada pelo nanotruck mede ~21,8 Å de comprimento por ~30,0 Å de largura. Nossos dados estão de acordo com aos valores encontrados na literatura [2].

Figura 1. Representação da estrutura do nanotruck e das medidas aferidas para cada parte estudada: diâmetro das rodas (azul), comprimento dos eixos (amarelo), largura e comprimento do chassis (verde) e área total ocupada pelo nanoveículo.

A superfície de Au(100) é formada por 13.830 átomos de Au cuja distância Au-Au é 2,88 Å. Possui uma área de 100,65 Å x 100,65 Å e uma altura de 127,22 Å, sendo 20,35 Å preenchidos com átomos de Au e 106,87 Å pela região de vácuo. Após a caracterização da superfície, nosso próximo passo consistiu em posicionar o nanotruck sobre a ela. A Figura 2 mostra o sistema superfície-nanotruck após concluirmos sua construção da superfície e posicionarmos o superfície-nanotruck sobre a ela.

Figura 2. A figura mostra a estrutura da superfície com suas medidas (altura, largura, comprimento) e a posição sobre a qual o nanotruck foi posicionado ela.

O movimento do nanotruck sobre a superfície de Au (100) foi obtido quando o sistema foi submetido a uma temperatura próxima a 500 K. O movimento realizado pelo nanoveículo descreve uma trajetória irregular. Não chegamos a uma conclusão sobre as causas desse movimento aleatório. No entanto, pudemos observar que não há uma sincronia de movimento entre as partes do nanoveículo. Esse comportamento pode explicar parte da aleatoriedade do movimento e está de acordo com os dados encontrados na literatura [2]. A Figura 3 mostra as posições ocupadas pelo nanotruck ao longo do tempo durante a simulação de dinâmica, evidenciando que o nanocarro movimenta-se sobre a superfície de Au(100) quando o sistema é aquecido. Os resultados apresentados foram obtidos com uma temperatura próxima a 500 K durante uma simulação de dinâmica com duração de 500 ps.

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Figure 3. Posições ocupadas pelo nanotruck ao longo do tempo durante o movimento sobre a superfície de Au(100). A posição 1) representa a posição inicial do nanotruck sobre a superfície de Au(100) e a posição 6) a posição final. O tempo de duração da simulação foi de 500 ps. O intervalo de tempo entre cada uma das posições consecutivas apresentadas na nesta figura representa a posição ocupada pelo nanoveículo após um intervalo de tempo de 100 ps.

Assim sendo, podemos afirmar que conseguimos construir um modelo de nanoveículo com quatro rodas, o nanotruck, e um modelo de superfície metálica a base de ouro, Au(100). Caracterizamos dimensionalmente as principais partes do nanoveículo e da superfície. Montamos o sistema nanotruck-superfície e conseguimos fazer com que o nanoveículo se locomovesse sobre a superfície de Au (100) utilizando simulação de dinâmica molecular.

LITERATURA CITADA

[1] AKIMOV, ALEXEI V. et al. Molecular dynamics of surface-moving thermally driven nanocars. J.

Chem. Theory Comput., v. 4, n. 4, mar. 2008. Disponível em:

<http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/ct7002594>. Acesso: 19 fev. 2013.

[2] KONYUKHOV, SERGEI S. et. al. Rigid-body molecular dynamics of fullerene-based nanocars on metallic surfaces, J. Chem. Theory Comput., v. 6, n. 9, jul. 2010. Disponível em: <http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ct100101y>. Acesso: 11 mar. 2013.

[3] SUN, H. Ab initio calculations and force field development for computer simulation of polysilanes,

Macromolecules, v. 28, n. 3, jan. 1995. Disponível em:

<http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ma00107a006>. Acesso: 28 mar. 2013.

[4] WebElements: the periodic table on the WWW [http://webelements.com/]. Disponível em: <www.webelements.com/gold/crystal_structure.html>. Acesso: 25 jan. 2013.

AGRADECIMENTOS

"O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq – Brasil"