L’introduction de nanotubes de carbone de graphène intervient, mais aussi de nouveaux nanomatériaux de carbone et leurs mécanismes auxiliaires.

L’introduction de nanotubes de carbone de graphène intervient, mais aussi de nouveaux nanomatériaux de carbone et leurs mécanismes auxiliaires.

Le fullerène, les nanotubes de carbone (NTC, nanotubes de carbone) et les graphènes (graphène) sont des nanomatériaux de carbone populaires au cours des dernières années. Actuellement, cinq scientifiques ont remporté le prix Nobel dans ce domaine. Pourquoi les nanomatériaux de carbone sont-ils si recherchés? Par exemple, les bicyclettes en acier additionné de fibres de carbone ne représentent qu'une fraction du poids des bicyclettes ordinaires en raison de la très petite masse d'atomes de carbone et des liaisons chimiques entre atomes de carbone ou entre atomes de carbone et autres. Très fort. Par conséquent, les matériaux mélangés avec des nanomètres de carbone ont généralement de meilleures propriétés mécaniques et un poids total plus léger.

Les premiers principes sont largement utilisés en physique, chimie et science des matériaux. La conception des matériaux, la prévision des matériaux, les expériences d'interprétation, etc., sont indissociables du calcul selon les premiers principes, car le premier principe part de l'équation de Schrödinger et nécessite très peu de paramètres pour calculer avec la plus grande précision la plupart des propriétés des matériaux du matériau; En outre, associé à l'hypothèse adiabatique, il peut également être utilisé pour simuler la dynamique moléculaire. Dans le domaine des nanomatériaux de carbone, les calculs de principes premiers sont largement utilisés car la corrélation électronique des atomes de carbone est très faible et les calculs de principes fondamentaux permettent souvent de faire des prédictions très précises.

Cet article présentera de nouveaux types de nanomatériaux en carbone qui diffèrent légèrement par la manière dont les atomes de carbone sont combinés et disposés en fullerènes, nanotubes de carbone et graphène bien connus. Ces différences subtiles peuvent être reflétées dans les propriétés du matériau final mais peuvent varier considérablement. Une petite différence dans la disposition des atomes de carbone peut se traduire par de grandes différences dans les propriétés des matériaux. C'est pourquoi les nanomatériaux à base de carbone attirent de nombreux scientifiques, physiciens et chimistes.

1. Hybridation et dimension

Il existe deux manières principales d'hybrider des atomes de carbone avec des nanomatériaux en carbone: sp2 ou sp3. Dans le mode hybride sp2, chaque atome de carbone forme trois orbitales moléculaires uniformément réparties dans un plan sous un angle de 120 degrés et une orbite p hors-plan, connue sous le nom d'orbitale pz; les nanomatériaux de carbone les plus typiques Il s’agit d’un célèbre graphène. Dans le mode hybride sp3, chaque atome de carbone forme quatre orbitales moléculaires uniformément réparties dans l’espace, formant à peu près la forme d’un tétraèdre régulier allant du corps aux quatre sommets. Un matériau solide typique représente un diamant, mais un représentant typique du monde des nanomatériaux est l’adamantane. L’adamantane est représentatif de toute une famille de matériaux et une molécule contient un noyau de la structure en diamant. S'il contient plusieurs noyaux de structure en diamant, cette famille de matériaux deviendra Diamondoid. Figure 1: Nanomatériaux de carbone typiques classés en fonction de l’hybridation (sp2, première rangée; ou sp3, deuxième rangée) et des dimensions du matériau.

Ce qui précède n’est qu’une hybridation, ou plutôt un choix courant qu’un seul atome de carbone peut faire lors de la formation d’un nanomatériau. Lorsque plusieurs atomes de carbone sont combinés, en plus de l’hybridation, ils peuvent choisir de s’étendre dans n’importe quelle direction. S'agit-il d'un matériau de dimension zéro ou d'un matériau de haute latitude? Le tableau 1 ci-dessus répertorie divers matériaux représentatifs en fonction de l'hybridation et de la dimension.

Les matériaux unidimensionnels en mode hybride sp3 n'ont pas de caractère typique. Les lecteurs familiers avec les recherches pertinentes peuvent penser au polyéthylène, mais en termes de molécules individuelles, les molécules de polyéthylène manquent de règles de configuration à long terme, ou d’ordre à long terme, et des envies généralement associées aux nanomatériaux de carbone. Force mécanique.

Nanofils de carbone

En regardant le matériel ci-dessous, est-ce un peu intéressant? Est-ce solide ou macromolécule?

Ce nouveau type de nanomatériau de carbone est à la fois un hybride sp3 d'atomes de carbone et une composition unidimensionnelle d'atomes de carbone. Dans le même temps, leurs sections efficaces ne ressemblent pas à une molécule organique linéaire traditionnelle, mais possèdent de multiples liaisons chimiques. Passer à travers la section. Cela signifie que ces matériaux sont proches des isolants en diamant en termes de propriétés électroniques. Leurs propriétés mécaniques sont bien supérieures à celles des molécules organiques linéaires traditionnelles et leur résistance mécanique est proche de celle des nanotubes de carbone ou du graphène. Les calculs théoriques confirment ces [1], ils sont appelés nanofils de carbone ou nanofils de diamant.

Ce nouveau matériau de forme étrange est-il simplement une attente théorique ou peut-il être réellement préparé? Il semble que de tels matériaux doivent partir de la synthèse de petites molécules organiques, après un processus petit à grand, mais expérimentalement [2] passe par un processus allant de grand à petit, à partir de l’état solide du benzène, après 25GPa haute pression. Le rôle de la liaison chimique hybride sp2 initiale devient une liaison chimique hybride sp3 sous haute pression, transformant ainsi le cristal moléculaire tridimensionnel en un nanomatériau de carbone unidimensionnel.

Des nanofils unidimensionnels ordonnés à longue portée sont représentés dans l'exemple de la figure 2; des structures non ordonnées peuvent souvent être obtenues dans des expériences réelles. Cette figure montre une structure désordonnée et les résultats de la microscopie à effet tunnel à balayage de cristaux de nanofils de carbone obtenue expérimentalement.

3.Application des calculs de premiers principes

Les calculs fondés sur les premiers principes permettent de prédire les propriétés des matériaux. La combinaison des résultats expérimentaux donne souvent lieu à des perspectives plus approfondies sur l'interprétation des résultats expérimentaux. Dans la synthèse des nanofils de carbone diamantés, en raison des conditions expérimentales difficiles, la haute pression de 25 GPa doit être réalisée dans une très petite cellule à enclume de diamant (DAC), de sorte que la synthèse expérimentale des matériaux manque d'un ordre à longue portée, résultats expérimentaux premier regard, il y a beaucoup d'interférence de désordre. Les calculs théoriques peuvent nous aider à distinguer si la composition contient les nouveaux matériaux que nous attendons.

En théorie, nous sommes devenus une structure à nanofils de carbone. Après avoir ajouté un certain désordre en introduisant la rotation de liaison chimique Stone-Wales, nous pouvons utiliser le calcul théorique pour effectuer la relaxation de position atomique, puis obtenir la structure optimale avec la plus basse énergie. Des calculs théoriques précis peuvent donner la distance entre les atomes dans un matériau ou calculer la fonction de distribution radiale dans un matériau. La comparaison des résultats théoriques avec les résultats expérimentaux de la figure 4. Cela confirme non seulement que la composition expérimentale est en accord avec la structure théorique, mais permet également de déterminer quelles structures atomiques correspondent à la résolution maximale des résultats expérimentaux.

Figure 4. Comparaison de la fonction de distribution radiale (RDF) de nanofils synthétisés de manière expérimentale avec la fonction de distribution radiale simulée de structures de nanofils de carbone générées théoriquement.

Le premier calcul de principe donne les propriétés optiques du matériau. La spectroscopie Raman est souvent un moyen fiable de caractériser des compositions expérimentales car elle ne doit pas détruire la composition expérimentale, et les pics spectraux peuvent nous indiquer quels modes moléculaires de vibration ont une activité Raman. Une méthode de calcul du spectre Raman par théorie de la densité fonctionnelle consiste à calculer d'abord la constante diélectrique de la molécule, puis à effectuer un petit déplacement de la position de l'atome le long du mode propre de la vibration moléculaire afin de calculer le changement de la constante diélectrique. Grâce à la puissance de calcul avancée des ordinateurs modernes, nous pouvons maintenant facilement calculer l'activité Raman d'une molécule afin de déterminer les unités structurelles présentes dans la composition expérimentale. La figure 5 montre une unité structurelle caractéristique incluse dans les résultats de synthèse de nanofils de carbone par calcul et analyse par spectroscopie Raman.

Figure 5. Comparaison des spectres Raman expérimentaux de nanofils de carbone et de la théorie.

4. Fonctionnalisation

Une caractéristique importante des nanomatériaux de carbone est leur capacité à leur ajouter divers groupes fonctionnels. Tant que de petites molécules organiques sont remplacées au stade de la préparation de la préparation synthétique. Dans le matériau à nanofils de carbone, une méthode simple consiste à remplacer l’atome d’hydrogène (H) dans le réactif par un atome de chlore (Cl) ou à remplacer l’atome de carbone par un atome d’azote (N) et un atome de bore (B). Il peut être fonctionnalisé pour modifier ses propriétés électroniques, ses propriétés de phonon, ses propriétés thermiques ou ses propriétés mécaniques. La figure 6 montre plusieurs structures de nanofils typiques formées en remplaçant des groupes hydrocarbonés par des atomes d'azote [4].

L'étude sur le remplacement du benzène par un réactif initial contenant un atome d'azote pour la synthèse de nanofils est publiée dans l'article [3]. Ce remplacement est un remplacement complet au lieu du dopage, en utilisant de la pyridine (pyridine, C5NH5) au lieu du cycle benzène pour participer à la réaction, le processus de réaction est toujours similaire à l'utilisation de ballast au diamant sous haute pression, le carbone hybride sp2 est converti en sp3 carbon hybride Et complète la transformation de petites molécules en matériaux unidimensionnels.

En utilisant le principe des premiers principes, nous pouvons étudier deux méthodes, dans lesquelles le matériau de nanofils de carbone de cette structure est synthétisé. L'une consiste à comparer les propriétés de caractérisation de toutes les structures candidates avec des expériences telles que la spectroscopie Raman, la diffraction X, etc. L'autre est naturellement trié par leur énergie. Dans le calcul de l'énergie des nanofils de carbone, leur structure moléculaire et leur périodicité doivent d'abord être optimisées. Cependant, ce matériau unidimensionnel présente la particularité d'avoir une structure hélicoïdale, ce qui crée des difficultés de calcul.

Si vous remplacez les macromolécules tronquées aux deux extrémités, le calcul de l'énergie doit être inexact. Si vous utilisez des conditions aux limites périodiques, comment déterminez-vous l'angle d'hélice? Une astuce possible consiste à sélectionner plusieurs angles d'hélice pour le calcul [2]. Chaque angle est différent, ce qui signifie que la longueur d'une période de répétition structurelle est différente le long de la structure unidimensionnelle. Après avoir calculé un nombre d'angles d'hélice différents, on obtient l'énergie moyenne par unité structurelle (ou moyenne par atome) et on effectue un ajustement simple par régression quadratique sur l'angle d'hélice. L'hypothèse implicite de l'ajustement par régression quadratique est que l'effet entre deux éléments structurels adjacents est approximativement semblable à un ressort. Bien que cette hypothèse ne soit pas tout à fait vraie, elle peut néanmoins capturer la force principale entre les unités adjacentes, car dans les nanomatériaux de carbone, des forces de liaison covalente entre des atomes adjacents et des unités structurelles adjacentes sont utilisées. La loi du printemps de Hooke est approximative.

Figure 6. Quatre nanofils de carbone de diamant typiques décorés d'atomes d'azote tirés de la littérature [4]

Force 5.Mechanical

Les nanomatériaux de carbone ont de très bonnes propriétés électriques, mais ils sont maintenant largement utilisés dans leur légèreté mécanique: atomes légers, liaison forte. Les nanofils de carbone ont l'unité de base des diamants. Auront-ils aussi assez de force? En termes simples, oui. Comme le montre la figure 7, les calculs montrent que les nanofils de carbone ont un module de Young compris entre 800 et 930 GPa, ce qui est comparable aux diamants naturels (1220 GPa). Bien entendu, la résistance mécanique de ce matériau unidimensionnel est directionnelle. C'est à la fois un inconvénient et un avantage: ce matériau concentre toutes les résistances mécaniques dans un sens. Certains imaginent même que ce nanofil de carbone peut être utilisé pour fabriquer un câble destiné à un ascenseur spatial.

Figure 7. Module de Young de trois types de nanofils de carbone diamantés différents de la référence [5].

6. Conclusion

Les nanofils de carbone diamantés ont récemment rejoint la grande famille des nanomatériaux de carbone à la structure stricte unidimensionnelle et à la résistance mécanique élevée. Dans le processus de recherche, à l'aide d'une puissante puissance de calcul, grâce au calcul selon les principes fondamentaux, il est possible d'étudier la structure moléculaire atomique possible du nanofil de carbone, d'interpréter l'interprétation des résultats expérimentaux et d'analyser les résultats expérimentaux en profondeur . Les nanofils de carbone, ainsi que de nombreuses autres nouvelles caractéristiques intéressantes des nanostructures de carbone, attendent des calculs plus théoriques et une vérification expérimentale à explorer.

Références

1.Fitzgibbons, TC; Guthrie, M .; Xu, E.-s .; Crespi, VH; Davidowski, SK; Cody, GD; Alem, N .; Badding, JV Mater. 2014, 14, 43 - 47

2.Xu, E.-s .; Lammert, PE; Crespi, VH Nano Lett. 2015, 15, 5124 - 5130

3.Li, X .; Wang, T .; Duan, P .; Baldini, M .; Huang, H.-T .; Chen, B .; Juhl, SJ; Koeplinger, D .; Crespi, VH; Schmidt-Rohr, K .; Hoffmann, R .; Alem, N .; Guthrie, M .; Zhang, X .; Badding, JV Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4969 - 4972

4.Chen, B .; Wang, T .; Crespi, VH; Badding, JV; Hoffmann, R. Chem. Théorie Comput. 2018, 14, 1131 - 1140

5. Zhan, H .; Zhang, G .; Tan, VBC; Cheng, Y .; Bell, JM; Zhang, Y.-W .; Gu, Y. Nanoscale 2016, 8, 11177 - 11184