Cyclo[18]carbon as an ultra-elastic molecular O-ring with unique mechanical properties

材料科学 碳纤维 应变能 刚度 粘结长度 极限抗拉强度 单轴张力 模数 弹性模量 复合材料 张力(地质) 杨氏模量 戒指(化学) 纳米技术 结晶学 化学 热力学 晶体结构 有机化学 复合数 有限元法 物理
作者
Siyuan Fang,Yun Hang Hu
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:171: 96-103 被引量:65
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2020.08.082
摘要

Recent atomic manipulation by an AFM tip created the first sp-hybridized carbon material – cyclo[18]carbon. Herein, we revealed the unique mechanical properties of cyclo[18]carbon by the first principle calculations. Under uniaxial tension, cyclo[18]carbon is ultra-elastic as demonstrated by a small Young's modulus of 0.11 TPa and a tiny specific tensile stiffness of 7.0 × 106 N m/kg, which are one and two orders of magnitude smaller than those of other carbon materials, respectively. The expansion and contraction of cyclo[18]carbon exhibit a relatively high specific stiffness of 9.95 × 108 N m/kg, and it would be broken with an energy requirement of 34.14 eV. While uniaxial tension enables the insulator-semiconductor transition of cyclo[18]carbon, expansion enlarges its energy gap. Furthermore, the strain energy was proposed as a function of bond angle and bond length for uniaxially-stretched and expanded/contracted cyclo[18]carbon respectively, which sheds light on predicting the mechanical properties of certain materials. The unique properties of cyclo[18]carbon are of great interest for its potential use as an ultra-elastic molecular O-ring in nanomechanical system and molecular electronics and devices.

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