Abstract Helical nanostructures, like nanosprings, made from carbon-based materials have broad promising applications in mechanical nanodevices and energy-absorbing materials. However, it is a big challenge to reveal the mechanism of their excellent mechanical properties due to the lack of theoretical models. Here we report the huge stretchability and reversibility of helical graphenes (HGs) using molecular dynamics (MD) simulations. Simplified theoretical models based on interlayer van der Waals (vdW) interactions are developed to predict the tensile properties of different-size HGs in three elastic stages including the initial deformation, stable delamination and elastic deformation. During the tensile process, the vdW interactions between adjacent free coils play a key role in the initial deformation and delamination stages, while the tensile behavior is dominated by the stretching of carbon-carbon bonds in the elastic deformation stage. The obtained theoretical results agree well with those from present MD simulations. Meanwhile, both the critical force in the initial deformation stage and the critical elastic force in the elastic deformation stage decrease with increasing temperature. In particular, the mechanical behavior of HGs under cyclic loading shows obvious hysteresis loops, which produce large energy dissipation due to the recovery of interlayer vdW interactions. These findings should be of great help towards understanding the stability and reliability of these helical structures, and giving an insight to design a new generation of nanodevices.

中文翻译：

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使用分子动力学模拟和简化理论模型的螺旋石墨烯的巨大拉伸性和可逆性

摘要 由碳基材料制成的螺旋纳米结构，如纳米弹簧，在机械纳米器件和能量吸收材料中具有广泛的应用前景。然而，由于缺乏理论模型，揭示其优异力学性能的机理是一个很大的挑战。在这里，我们使用分子动力学 (MD) 模拟报告了螺旋石墨烯 (HG) 的巨大拉伸性和可逆性。开发了基于层间范德华 (vdW) 相互作用的简化理论模型，以预测不同尺寸 HG 在三个弹性阶段的拉伸性能，包括初始变形、稳定分层和弹性变形。在拉伸过程中，相邻自由线圈之间的 vdW 相互作用在初始变形和分层阶段起着关键作用，而拉伸行为主要是在弹性变形阶段碳-碳键的拉伸。获得的理论结果与目前的 MD 模拟结果非常吻合。同时，初始变形阶段的临界力和弹性变形阶段的临界弹力均随温度升高而减小。特别是，循环载荷下 HGs 的机械行为显示出明显的滞后回线，由于层间 vdW 相互作用的恢复，产生了大量的能量耗散。这些发现应该对理解这些螺旋结构的稳定性和可靠性有很大帮助，并为设计新一代纳米器件提供见解。获得的理论结果与目前的 MD 模拟结果非常吻合。同时，初始变形阶段的临界力和弹性变形阶段的临界弹力均随温度升高而减小。特别是，循环载荷下 HGs 的机械行为显示出明显的滞后回线，由于层间 vdW 相互作用的恢复，产生了大量的能量耗散。这些发现应该对理解这些螺旋结构的稳定性和可靠性有很大帮助，并为设计新一代纳米器件提供见解。获得的理论结果与目前的 MD 模拟结果非常吻合。同时，初始变形阶段的临界力和弹性变形阶段的临界弹力均随温度升高而减小。特别是，循环载荷下 HGs 的机械行为显示出明显的滞后回线，由于层间 vdW 相互作用的恢复，产生了大量的能量耗散。这些发现应该对理解这些螺旋结构的稳定性和可靠性有很大帮助，并为设计新一代纳米器件提供见解。初始变形阶段的临界力和弹性变形阶段的临界弹力均随温度升高而减小。特别是，循环载荷下 HGs 的机械行为显示出明显的滞后回线，由于层间 vdW 相互作用的恢复，产生了大量的能量耗散。这些发现应该对理解这些螺旋结构的稳定性和可靠性有很大帮助，并为设计新一代纳米器件提供见解。初始变形阶段的临界力和弹性变形阶段的临界弹力均随温度升高而减小。特别是，循环载荷下 HGs 的机械行为显示出明显的滞后回线，由于层间 vdW 相互作用的恢复，产生了大量的能量耗散。这些发现应该对理解这些螺旋结构的稳定性和可靠性有很大帮助，并为设计新一代纳米器件提供见解。