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流畅的轴承：夹层滑动在多壁碳纳米管 阿列克谢N.柯尔莫哥洛夫和VincentH.克雷斯波 物理宾夕法尼亚州立大学系，104戴维实验室，大学园区，宾夕法尼亚州16802-6300 收到2000年7月5日该明确定义的几何形状和多壁碳纳米管的极端结构各向异性能 定性带来新的功能，它的纳米级摩擦学。高效注销不适应管registrationdependent相互作用（而且，奇怪的是，一定的轴向相称管）的 可诱发极小andnonextensiveshear优势。 PACS数字：61.48+ C，62.20.Qp 减少凝聚态系统到纳米政权可以通过引入诱导新物理新的约束条件。例如，在无缺陷的碳纳米管[1]的圆周周期性确定单粒子电子性质[2]。在这里，我们证明了在严格的限制几何多壁碳纳米管可以产生极其平稳固 - 固界面，其中波纹反对滑动不与系统sizefor大班成长的系统。这些系统有望用于应用程序在纳米机械元件和就我们所知代表最流畅的一元固 - 固界面众所周知的。精力充沛的阻隔层间滑动包含数千个原子的无缺陷的纳米管可以相媲美，对于养一个单元cellof结晶石墨。 例如，石墨润滑摩擦学是一个非常 复杂的异构过程。与此相反，同心 多壁碳纳米管提出一个很简单的 几何形状，这限制了中间运动到单 （轴向）方向的僵硬固定夹层方向， 光滑层。刚度抑制剪切诱导 位错滑移和小规模系统的承诺 实现的可能性几乎无缺陷的结构。每 层中的同心多壁碳纳米管是由两个整数索引？N，M？这给围 在石墨晶格坐标。在半径之差 连续层之间挫败的周 夹层注册表。单个层的轴向期 3 p ? 21nm1m2 ？GCF？2n1m，n12m？键 长度（GCF是最大的共同因素）;两层 withn1λm1的FIN2？平方米，通常（但不总是[3]） 轴向不适应也。与此相反，两层 N1？M1？N2？平方米（及其他特殊情况）是轴向 相称 描述波纹在层间相互作用对于这些系统，我们已经开发出一种新的registrydependent两体石墨势（我们描述这种潜在的详细在文末）。滑动一个多壁纳米管内应之间发生两层与流畅的界面，所以我们重点在这里有两个壁系统。为了隔离的效果变化的接触面积（其中，“接触”是广义定义为向上伸展到截止距离在层间交互）和治疗两者相称，平等相称有限大小的系统，我们延长管的内壁，同时保持外层作为一个相对较短的衣领;在此配置中外层的运动不改变接触面积。引起的变化的接触面积力容易利用石墨的表面能后注册成立[4]。我们定义了中间层的波纹的最大变化的总能量作为外层滑过内层的全部单元格。这个量是简单的提取理论上;它是从不同的，但蕴藏着极大的联系，无论是剪切模量和摩擦系数。我们专注于这样定义的波纹因为，正如我们将在后面看到，层间剪切模量实际上是不明确的一大类管。首先，我们分析完美硬管;接下来我们介绍intraplanar自由度。我们研究了三个有代表性的无缺陷的两个壁碳纳米管：（14,0），（16,10）？是不相称; （7,7）?（12,12）是相称用短晶胞和统一包装的角度;（11,2）?（12,12）是相称的，但具有不同的缠绕角度在两个层。 正如所料，（7,7）?（12,12）的系统显示了一个比较大的障碍，随着系统大小线性增加（参见图1）。这个结果与偏爱一致为上管相称管/基板方向石墨基体[5]。这个线性尺寸依赖性允许定义一个剪切模量，至少因为它反映变化的轴向长度。其他两个系统显示耐人寻味的行为。该相称，但混合包装角（11,2）？（12,12）纳米管（图1）示出了接近于零的波纹对外层它们是整体的晶格常数的积分和halfintegral号码的长度。该因此，生长在波纹带长度是线性的，但极其缓慢。在当地夹层注册表中的平均整个晶胞是非常有效的，远远超过了会是随机分布的地方注册。从图中它可能出现的最小的障碍是恰好为零;但是，人为地降低了层间poverlap衰变锐化层间电位长度d（如下定义）的2个增加的一个因素 图。1，波纹的原子的数目的函数 在所述外管的双壁系统没有结构 放松。在相称（7,7）？（12,12）管的波纹为20兆电子伏？埃坡线性增长。波纹 在不适应（14,0）？（16,10）管不与成长 该系统的大小。该相称（11,2）？（12,12）系统 的每一段极其细小的皱纹（即336原子 外管）。该曲线是对于眼睛的导向 波纹显著高于零，从而显露这在物理上的波纹为纯系统相关的参数是非常小的，但不是零 非公度（14,0）？（16,10）碳纳米管具有从0.0-0.3 eV的其中exceptingfluctuations波纹，是独立的系统的大小。层间滑动模式一个完美的不适应系统（相位子）是无间隙[6]。对于有