لا يأتي إدخال الأنابيب النانوية الكربونية للجرافين فقط ، ولكن أيضًا المواد النانوية الكربونية الجديدة وآلياتها المساعدة！

لا يأتي إدخال الأنابيب النانوية الكربونية للجرافين فقط ، ولكن أيضًا المواد النانوية الكربونية الجديدة وآلياتها المساعدة！

يعتبر الفوليرين وأنابيب الكربون النانوية (CNTs و الأنابيب النانوية الكربونية) و الجرافين (الجرافين) من المواد النانوية الكربونية الشائعة في السنوات الأخيرة. حاليا ، فاز خمسة علماء بجائزة نوبل في هذا المجال. لماذا يتم الحصول على المواد النانوية الكربونية على نطاق واسع؟ على سبيل المثال ، الدراجات المصنوعة من الفولاذ المضاف إليه ألياف الكربون ليست سوى جزء بسيط من وزن الدراجات العادية بسبب الكتلة الضئيلة للغاية من ذرات الكربون والروابط الكيميائية بين ذرات الكربون أو بين ذرات الكربون والذرات الأخرى. قوي جدا. لذلك ، عادة ما يكون للمواد الممزوجة بمقاس نانومتر الكربون خواص ميكانيكية أفضل ووزن أخف وزناً.

تُستخدم المبادئ الأولى على نطاق واسع في الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد. لا يمكن فصل تصميم المواد ، والتنبؤ بالمواد ، وتجارب التفسير ، وما إلى ذلك ، من حساب المبادئ الأولى ، لأن المبدأ الأول يبدأ من معادلة شرودنجر ويتطلب عددًا قليلًا جدًا من المعلمات لحساب معظم خصائص المواد للمادة بدقة شديدة ؛ بالإضافة إلى الافتراض الثنائي ، يمكن أيضًا استخدامه لمحاكاة الديناميات الجزيئية. في مجال المواد النانوية الكربونية ، تُستخدم حسابات المبادئ الأولى على نطاق واسع لأن الارتباط الإلكتروني لذرات الكربون ضعيف جدًا ، وغالبًا ما تقوم حسابات المبادئ الأولى بتنبؤات دقيقة للغاية.

ستقدم هذه المقالة بعض الأنواع الجديدة من المواد النانوية الكربونية التي تختلف قليلاً في الطريقة التي يتم بها دمج ذرات الكربون وترتيبها في الفوليرين المشهور وأنابيب الكربون النانوية والجرافين. يمكن أن تنعكس هذه الاختلافات الطفيفة في خصائص المواد النهائية ولكن يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا. يمكن أن يترجم اختلاف بسيط في ترتيب ذرات الكربون إلى اختلافات كبيرة في خواص المواد ، حيث تجذب المواد النانوية الكربونية العديد من علماء المواد والفيزيائيين والكيميائيين.

1. التهجين والبعد

هناك طريقتان رئيسيتان لتهجين ذرات الكربون إلى المواد النانوية الكربونية: sp2 أو sp3. في الوضع المختلط sp2 ، تشكل كل ذرة كربون ثلاثة مدارات جزيئية موزعة بشكل موحد في مستوي بزاوية 120 درجة ، ومدار p خارج المدار ، والمعروف باسم المدار pz ؛ المواد النانوية الكربونية الأكثر شيوعًا وهي عبارة عن جرافين مشهور. في الوضع المختلط sp3 ، تشكل كل ذرة كربون أربعة مدارات جزيئية موزعة بالتساوي في الفضاء ، وتشكل تقريبًا شكل رباعي السطوح المنتظم من الجسم إلى الرؤوس الأربعة. تمثل المادة الصلبة النموذجية الماس ، ولكن الممثل النموذجي لعالم المواد النانوية هو آدمانتاني. Adamantane هو ممثل لمجموعة كاملة من المواد ، وجزيء يحتوي على جوهر بنية الماس. إذا كان يحتوي على نوى متعددة من هيكل الماس ، فإن هذه المجموعة من المواد سوف تصبح Diamondoid. الشكل 1: المواد النانوية الكربونية النموذجية المصنفة وفقًا للتهجين (sp2 ، الصف الأول ، أو sp3 ، الصف الثاني) وأبعاد المواد.

ما سبق هو مجرد تهجين ، أو بالأحرى اختيار رئيسي يمكن أن تقوم به ذرة كربون واحدة عند تكوين مادة متناهية الصغر. عندما يتم دمج العديد من ذرات الكربون ، بالإضافة إلى التهجين ، يمكنهم اختيار التوسع في أي اتجاه. هل هي مادة ذات أبعاد صفرية أو مواد ذات خطوط عرض عالية؟ يسرد الرسم البياني أعلاه المواد التمثيلية المختلفة وفقًا للتهجين والبعد.

المواد أحادية البعد في الوضع المختلط sp3 تفتقر إلى نموذجي. قد يفكر القراء الذين لديهم دراية بالبحث ذي الصلة في مادة البولي إيثيلين ، ولكن فيما يتعلق بالجزيئات الفردية ، تفتقر جزيئات البولي إيثيلين إلى بعض قواعد التكوين طويلة المدى ، أو إلى ترتيب بعيد المدى ، وتفتقر إلى الرغبة الشديدة في المواد النانوية الكربونية عادة. القوة الميكانيكية.

2. أسلاك كربونية

بالنظر إلى المواد أدناه ، هل هي مثيرة للاهتمام بعض الشيء؟ هل هو صلب أو جزيء كبير؟

هذا النوع الجديد من المواد النانوية الكربونية عبارة عن مزيج من ذرات الكربون sp3 وتكوين أحادي ذرات الكربون. في الوقت نفسه ، لا تشبه المقاطع العرضية جزيءًا عضويًا خطيًا تقليديًا ، ولكن لها روابط كيميائية متعددة. تمر عبر المقطع العرضي. وهذا يعني أن هذه المواد قريبة من عوازل الماس من حيث الخصائص الإلكترونية. وهي تفوق بكثير في الخواص الميكانيكية للجزيئات العضوية الخطية التقليدية ، وقوتها الميكانيكية قريبة من الأنابيب النانوية الكربونية أو الجرافين. تؤكد الحسابات النظرية هذه [1] ، وتسمى هذه الأسلاك النانوية الكربونية ، أو الأنابيب النانوية الماسية.

هل هذه المادة الجديدة ذات الشكل الغريب مجرد توقع نظري ، أم هل يمكن إعدادها بالفعل؟ يبدو أن مثل هذه المواد تحتاج إلى أن تبدأ من تركيب الجزيئات العضوية الصغيرة ، بعد عملية صغيرة إلى كبيرة ، ولكن من الناحية العملية [2] يتم من خلال عملية كبيرة إلى صغيرة ، تبدأ من الحالة الصلبة للبنزين ، بعد ضغط عالي 25GPa يصبح دور الرابطة الكيميائية الهجينة sp2 الأصلية رابطة كيميائية sp3 هجينة تحت ضغط عال ، وبالتالي تحويل البلورة الجزيئية ثلاثية الأبعاد إلى مادة نانوية كربونية أحادية البعد.

وترد الأسلاك النائية أحادية البعد ذات المدى البعيد في مثال الشكل 2 ؛ في كثير من الأحيان يمكن الحصول على هياكل غير منظمة في التجارب الفعلية. يوضح هذا الشكل بنية مضطربة ونتائج مسح المجهر النفقي لبلورات أسلاك الكربون النانوية التي تم الحصول عليها في التجارب.

3. تطبيق حسابات المبادئ الأولى

تؤدي حسابات المبادئ الأولى أداءً جيدًا في التنبؤ بخصائص المواد. غالبًا ما يؤدي الجمع بين النتائج التجريبية إلى مزيد من وجهات النظر المتعمقة حول تفسير النتائج التجريبية. في تركيب أسلاك الكربون الماسية ، نظرًا للظروف التجريبية القاسية ، يجب تحقيق الضغط العالي بـ 25GPa في خلية سندان صغيرة جدًا من الماس (DAC) ، وبالتالي فإن التركيب التجريبي للمواد يفتقر إلى ترتيب بعيد المدى ، النتائج التجريبية في للوهلة الأولى ، هناك الكثير من التدخل الفوضى. يمكن أن تساعدنا الحسابات النظرية على التمييز فيما إذا كانت التركيبة تحتوي على مواد جديدة نتوقعها.

من الناحية النظرية ، لقد أصبحنا هيكل أسلاك الكربون. بعد إضافة اضطراب معين عن طريق إدخال دوران الرابطة الكيميائية Stone-Wales ، يمكننا استخدام الحساب النظري للقيام باسترخاء الوضع الذري ومن ثم الحصول على الهيكل الأمثل بأقل طاقة. يمكن للحسابات النظرية الدقيقة إعطاء المسافة بين الذرات في المادة ، أو حساب وظيفة التوزيع الشعاعي في المادة. مقارنة النتائج النظرية مع النتائج التجريبية في الشكل 4. إنه لا يؤكد فقط أن التركيب التجريبي يتوافق مع الهيكل النظري ، ولكن أيضًا التمييز الذي تتوافق الهياكل الذرية مع دقة الذروة للنتائج التجريبية.

الشكل 4. مقارنة بين وظيفة التوزيع الشعاعي (RDF) من الأسلاك النانوية توليفها تجريبيا مع وظيفة التوزيع الشعاعي محاكاة لهياكل أسلاك متناهية الصغر الكربون نظريا.

يعطي الحساب المبدئي الأول الخصائص البصرية للمادة. غالبًا ما يكون التحليل الطيفي للرامان وسيلة موثوقة لوصف التركيبات التجريبية لأنه ليس من الضروري تدمير التركيب التجريبي ، ويمكن أن تخبرنا القمم الطيفية عن أنماط الذبذبات الجزيئية التي لها نشاط رامان. تتمثل إحدى طرق حساب طيف رامان من خلال النظرية الوظيفية للكثافة في حساب الثابت الأول للعزل الثابت للجزيء ، ثم إجراء إزاحة صغيرة لموضع الذرة على طول eigenmode للاهتزاز الجزيئي لحساب تغيير ثابت العزل الكهربائي. بفضل قوة الحوسبة المتقدمة لأجهزة الكمبيوتر الحديثة ، يمكننا الآن بسهولة حساب نشاط رامان لجزيء لتحديد الوحدات الهيكلية الموجودة في التركيب التجريبي. ويبين الشكل 5 وحدة هيكلية مميزة مدرجة في النتائج التوليفية من أسلاك الكربون عن طريق حساب وتحليل التحليل الطيفي رامان.

الشكل 5. مقارنة الأطياف رامان التجريبية من أسلاك الكربون مع النظرية.

4. الوظيفية

ميزة هامة للمواد النانوية الكربونية هي القدرة على إضافة مجموعات وظيفية مختلفة إليها. طالما يتم استبدال بعض الجزيئات العضوية الصغيرة في مرحلة إعداد المستحضر الصناعي. في مادة الأسلاك النانوية الكربونية ، تشتمل الطريقة البسيطة على استبدال ذرة الهيدروجين (H) في المادة المتفاعلة بذرة الكلور (Cl) ، أو استبدال ذرة الكربون فيه بذرة النيتروجين (N) وذرة البورون (B). يمكن تشغيله لتغيير خصائصه الإلكترونية أو خصائص الفونون أو الخواص الحرارية أو الخواص الميكانيكية. ويبين الشكل 6 العديد من الهياكل أسلاك متناهية الصغر شكلت عن طريق استبدال مجموعات الهيدروكربون مع ذرات النيتروجين [4].

تم نشر دراسة استبدال البنزين بمفاعل أولي يحتوي على ذرة نيتروجين لتركيب أسلاك متناهية الصغر في المقالة [3]. هذا الاستبدال هو بديل كامل بدلاً من المنشطات ، باستخدام بيريدين (بيريدين ، C5NH5) بدلاً من حلقة البنزين للمشاركة في التفاعل ، عملية التفاعل لا تزال مشابهة لاستخدام صابورة الماس ذات الضغط العالي ، يتم تحويل الكربون المختلط sp2 إلى sp3 الكربون الهجين وإكمال تحويل الجزيئات الصغيرة إلى مواد أحادية البعد.

باستخدام مبدأ المبادئ الأولى ، يمكننا الدراسة بطريقتين ، حيث يتم تصنيع مادة أسلاك الكربون النانوية لهذا الهيكل. أحدهما هو مقارنة خصائص توصيف جميع الهياكل المرشحة بالتجارب ، مثل التحليل الطيفي رامان ، XRD ، وهلم جرا. يتم فرز الآخر بشكل طبيعي من خلال الطاقة. عند حساب طاقة أسلاك الكربون النانوية ، يجب تحسين تركيبها الجزيئي ودورته أولاً. ومع ذلك ، فإن هذه المادة أحادية البعد لها خاصية أن لها بنية حلزونية ، مما يخلق بعض الصعوبات في الحساب.

إذا قمت باستبدال الجزيئات الكبيرة المقطوعة من كلا الطرفين ، يجب أن يكون حساب الطاقة غير دقيق ؛ إذا كنت تستخدم شروط الحدود الدورية ، كيف يمكنك تحديد زاوية الحلزون؟ الحيلة الممكنة هي اختيار عدة زوايا حلزونية لحساب [2]. كل زاوية مختلفة ، مما يعني أن طول فترة التكرار الهيكلي يختلف على طول بنية أحادية البعد. بعد حساب عدد من زوايا اللولب المختلفة ، يتم الحصول على متوسط الطاقة لكل وحدة هيكلية (أو متوسط لكل ذرة) ، ويتم إجراء الانحدار التربيعي البسيط على زاوية اللولب. إن الافتراض الضمني لتركيب الانحدار التربيعي هو أن التأثير بين عنصرين هيكليين متجاورين يشبه الزنبرك تقريبًا. على الرغم من أن هذه ليست فرضية حقيقية تمامًا ، إلا أنها لا تزال قادرة على التقاط القوة الرئيسية بين الوحدات المجاورة ، لأنه في المواد النانوية الكربونية ، يتم استخدام قوى الرابطة التساهمية بين الذرات المجاورة والوحدات الهيكلية المجاورة. قانون هوك في الربيع تقريبي.

الشكل 6. أربعة أسلاك الكربون الماس نموذجي مزينة ذرات النيتروجين من الأدب [4]

5. القوة الميكانيكية

تحتوي المواد النانوية الكربونية على الكثير من الخواص الكهربائية الرائعة ، ولكن الآن يتم استخدامها على نطاق واسع في خفتها الميكانيكية: ذرات الضوء ، الترابط القوي. أسلاك الكربون لديها الوحدة الأساسية للماس. هل سيكون لديهم قوة كافية؟ ببساطة ، نعم. كما هو مبين في الشكل 7 ، توضح الحسابات أن أسلاك الكربون النانوية لها معامل يونغ ما بين 800 و 930 GPa ، وهو ما يشبه الماس الطبيعي (1220 GPa). بالطبع ، القوة الميكانيكية لهذه المادة أحادية البعد هي اتجاهية. هذا عيب وميزة على حد سواء: هذه المادة تركز جميع القوة الميكانيكية في اتجاه واحد. حتى أن البعض يتخيل أن هذه الأسلاك النانوية الكربونية يمكن استخدامها لصنع كابل للمصعد الفضائي.

الشكل 7. معامل يونغ من ثلاثة أنواع مختلفة من أسلاك الكربون الماس من إشارة [5].

6.Conclusion

انضمت أسلاك الكربون الماسية مؤخرًا إلى مجموعة كبيرة من المواد النانوية الكربونية ذات بنية أحادية البعد صارمة وقوة ميكانيكية عالية. في عملية البحث ، بمساعدة القوة الحاسوبية القوية ، من خلال حساب المبادئ الأولى ، يمكن دراسة التركيب الجزيئي الذري للكربون النانوي المحتمل ، ويمكن مساعدة تفسير النتائج التجريبية ، ويمكن تحليل النتائج التجريبية بعمق . تنتظر أسلاك الكربون النانوية ، بالإضافة إلى العديد من الميزات الجديدة المثيرة للاهتمام في الهياكل النانوية الكربونية ، المزيد من الحسابات النظرية والتحقق التجريبي لاستكشافها.

المراجع

1. فيتزجيبونز ، TC ؛ غوثري ، م. Xu، E.-s .؛ كريسبى ، VH ؛ Davidowski، SK؛ كودي ، GD ؛ Alem، N.؛ Badding ، JV ماطر. 2014 ، 14 ، 43 - 47

2.Xu، E.-s .؛ لاميرت ، بي. Crespi ، VH نانو ليت. 2015 ، 15 ، 5124 - 5130

3.Li ، X ؛ وانج ، ت. دوان ، ص. بالديني ، م. هوانغ ، اتش. تشن ، ب. Juhl، SJ؛ كوبلنجر ، د. كريسبى ، VH ؛ شميدت-روهر ، ك. هوفمان ، ر. Alem، N.؛ غوثري ، م. تشانغ ، العاشر ؛ Badding ، JV صباحا. علم. شركة نفط الجنوب. 2018 ، 140 ، 4969 - 4972

4. تشن ، ب. وانج ، ت. كريسبى ، VH ؛ Badding ، JV ؛ هوفمان ، ر. نظرية الحوسبة. 2018 ، 14 ، 1131 - 1140

5. تشان ، ح. تشانغ ، جي. تان ، VBC ؛ تشينغ ، ي. بيل ، JM ؛ تشانغ ، واي. دبليو ؛ Gu، Y. Nanoscale 2016، 8، 11177 - 11184