Abstract Helically coiled metastructures made from carbon nanotubes (CNTs) are a promising material for nanoelectromechanical systems due to the helical morphology and fantastic properties of CNTs. Mechanical properties of coiled CNT-metastructures are subtly tailored by changing the geometrical parameters; however, the role of CNT-chirality on their mechanical performances remains unknown. Here, using atomistic simulations, stretching characteristics of helical coiled CNTs (HCCNTs) having six different CNT-chirality are contrasted. High initial stiffness of HCCNTs comes from stretching of intercoil van der Waals (vdW) forces while low initial stiffness is explained by sliding action between coils. HCCNTs show distinct characteristic sawtooth patterns in the stretching stress-strain curves, originating from vdW-induced phase transformations, buckling instability and nanohinge-like plasticity. The sawtooth behavior resulting from phase transformations is described by a theoretical model. HCCNTs are highly resilient, and exhibit excellent stretchability because of two distinct deformation mechanisms depending on the CNT-chirality. For HCCNTs composed of armchair and zigzag CNT-segments, extraordinary extensibility is mainly contributed by well-distributed nanohinge-like plastic deformation, whereas for those consisting of other chiral ones this is accomplished by superelasticity and nanohinge-like fracture mechanisms. The findings shed new light in mechanical design of coiled-CNTs for practical applications in nanodevices in coupling to their other properties.

中文翻译：

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卷曲碳超结构中纳米管手性控制的拉伸特性

摘要 由碳纳米管 (CNT) 制成的螺旋盘绕超结构由于 CNT 的螺旋形形态和出色的性能，是一种很有前途的纳米机电系统材料。通过改变几何参数可以巧妙地调整卷曲 CNT 超结构的机械性能；然而，碳纳米管手性对其机械性能的作用仍然未知。在这里，使用原子模拟，对比了具有六种不同碳纳米管手性的螺旋卷曲碳纳米管 (HCCNT) 的拉伸特性。HCCNT 的高初始刚度来自线圈间范德华 (vdW) 力的拉伸，而低初始刚度则由线圈之间的滑动作用来解释。HCCNT 在拉伸应力 - 应变曲线中显示出独特的锯齿图案，源自 vdW 诱导的相变，屈曲不稳定性和纳米铰链状可塑性。由相变产生的锯齿行为由理论模型描述。HCCNT 具有高弹性，并且由于取决于 CNT 手性的两种不同的变形机制而表现出优异的拉伸性。对于由扶手椅和锯齿形 CNT 段组成的 HCCNT，非凡的可扩展性主要由分布良好的纳米铰链状塑性变形贡献，而对于由其他手性结构组成的 HCCNT，这是通过超弹性和纳米铰链状断裂机制实现的。这些发现为卷曲碳纳米管的机械设计提供了新的思路，用于纳米器件中与其其他特性耦合的实际应用。由相变产生的锯齿行为由理论模型描述。HCCNT 具有高弹性，并且由于取决于 CNT 手性的两种不同的变形机制而表现出优异的拉伸性。对于由扶手椅和锯齿形 CNT 段组成的 HCCNT，非凡的可扩展性主要由分布良好的纳米铰链状塑性变形贡献，而对于由其他手性结构组成的 HCCNT，这是通过超弹性和纳米铰链状断裂机制实现的。这些发现为卷曲碳纳米管的机械设计提供了新的思路，用于纳米器件中与其其他特性耦合的实际应用。由相变产生的锯齿行为由理论模型描述。HCCNT 具有高弹性，并且由于取决于 CNT 手性的两种不同的变形机制而表现出优异的拉伸性。对于由扶手椅和锯齿形 CNT 段组成的 HCCNT，非凡的可扩展性主要由分布良好的纳米铰链状塑性变形贡献，而对于由其他手性结构组成的 HCCNT，这是通过超弹性和纳米铰链状断裂机制实现的。这些发现为卷曲碳纳米管的机械设计提供了新的思路，用于纳米器件中与其其他特性耦合的实际应用。对于由扶手椅和锯齿形 CNT 段组成的 HCCNT，非凡的可扩展性主要由分布良好的纳米铰链状塑性变形贡献，而对于由其他手性结构组成的 HCCNT，这是通过超弹性和纳米铰链状断裂机制实现的。这些发现为卷曲碳纳米管的机械设计提供了新的思路，用于纳米器件中与其其他特性耦合的实际应用。对于由扶手椅和锯齿形 CNT 段组成的 HCCNT，非凡的可扩展性主要由分布良好的纳米铰链状塑性变形贡献，而对于由其他手性塑性变形组成的那些，这是通过超弹性和纳米铰链状断裂机制实现的。这些发现为卷曲碳纳米管的机械设计提供了新的思路，用于纳米器件中与其其他特性耦合的实际应用。