Vyjmečná deformační kapacita malých carbohelicene pružin

Extraordinary deformation capacity of smallest carbohelicene springs

journal article in Web of Science

en

The extraordinary deformation and loading capacity of nine different [N]carbohelicene springs under uniaxial tension up to their fracture were computed using the density functional theory. The simulations comprised either the experimentally synthetized springs of hexagonal rings or the hypothetical ones that contained irregularities (defects) as, for example, pentagons replacing the hexagons. The results revealed that the presence of such defects can significantly improve mechanical properties. The maximum reversible strain varied from 78% to 222%, the maximum tensile force varied in the range of 5 nN to 7 nN and, moreover, the replacement of hexagonal rings by pentagons or heptagons significantly changed the location of double bonds in the helicenes. The fracture analysis revealed two different fracture mechanisms that could be related to the configurations of double and single bonds located at the internal atomic chain. Simulations performed with and without van der Waals interactions between intramolecular atoms showed that these interactions played an important role only in the first deformation stage.

Pomocí ab initio metod byly vypočteny deformační schopnosti devíti různých typů carbohelicene zatížených jednoosým napětím. Simulace zahrnovaly typy experimentálně syntetizovaných carbohelicene skládajících se z šestiúhelníkových prstenů a současně hypotetických, jenž obsahují vady jako, například, pětiúhelníky místo šestiúhelníků. Výsledky odhalily, že přítomnost těchto vad může výrazně zlepšit mechanické vlastnosti. Maximální reverzibilní deformace se pohybovala od 78% do 222%, a maximální tažná v rozmezí od 5 do 7 nN. Navíc, nahrazení šestiúhelníkových prstenů pětiúhelníky nebo sedmiúhelniky výrazně změnila umístění dvojných vazeb v carbohelicene. Analýza odhalila dva různé mechanicmy porušení, které by mohly být spojeny s konfigurací dvojných a jednoduchými vazeb umístěnými na vnitřním atomovém řetězci. Simulace provedené s a bez van der Waalsových interakcí mezi jednotlivými atomy ukázaly, že tyto interakce hrají důležitou roli jen v prvním stupni deformace.

The extraordinary deformation and loading capacity of nine different [N]carbohelicene springs under uniaxial tension up to their fracture were computed using the density functional theory. The simulations comprised either the experimentally synthetized springs of hexagonal rings or the hypothetical ones that contained irregularities (defects) as, for example, pentagons replacing the hexagons. The results revealed that the presence of such defects can significantly improve mechanical properties. The maximum reversible strain varied from 78% to 222%, the maximum tensile force varied in the range of 5 nN to 7 nN and, moreover, the replacement of hexagonal rings by pentagons or heptagons significantly changed the location of double bonds in the helicenes. The fracture analysis revealed two different fracture mechanisms that could be related to the configurations of double and single bonds located at the internal atomic chain. Simulations performed with and without van der Waals interactions between intramolecular atoms showed that these interactions played an important role only in the first deformation stage.

ab initio, carbohelicene, deformační kapacita

ab initio, carbohelicene, deformation capacity

2015

10.06.2015

Royal Society of Chemistry

1463-9076

17

28

18684–18690

7