Ora mung introduksi saka nanomaterial karbon graphene, nanging uga nanomaterials karbon anyar lan mekanisme tambahan!

Fullerene, nanotubes karbon (CNTs, Nanotubes Karbon) lan graphenes (Graphene) minangka nanomaterials sing populer ing taun-taun pungkasan. Saiki, limang ilmuwan wis menangaké Bebungah Nobel ing lapangan iki. Kenapa nanomaterials karbon akeh digoleki? Contone, awet digawe saka baja serat sing ditambahake karbon mung pecahan bobot saka sepeda biasa amarga massa atom karbon sing cilik banget lan ikatan kimia antarane atom karbon utawa antarane atom karbon lan atom liyane. Banget kuwat. Mulane, bahan-bahan sing dicampur karo nanometer karbon biasane duwe sifat mekanik sing luwih apik lan bobote sakabehe sing luwih cerah.

Prinsip pisanan digunakake akeh ing fisika, kimia, lan ilmu-ilmu material. Rancangan materi, prediksi materi, eksperimen interpretasi, dll ora bisa dipisahake karo perhitungan prinsip kapisan, amarga prinsip kapisan diwiwiti saka persamaan Schrödinger lan mbutuhake banget parameter sing bisa ngetung sebagian material materi kasebut kanthi akurat; Luwih digabung karo asumsi adiabatik, uga bisa digunakake kanggo simulasi dinamika molekul. Ing lapangan nanomaterials karbon, kalkulasi prinsip kapisan digunakake sacara luas amarga korélasi elektron atom karbon banget lemah, lan perhitungan prinsip kapisan bisa asring nyebabake ramalan sing akurat.

Artikel iki bakal ngenalake sawetara jinis nanomaterials anyar sing beda-beda ing cara atom karbon digabungake lan disusun ing fullerenes, nanotubes karbon, lan graphene. Bentenane subtle iki bisa dibayangke ing sipat materi pungkasan nanging bisa beda-beda. Prabédan cilik ing susunan atom karbon bisa nerangake beda-beda ing sipat materi, ing ngendi nanomaterials karbon narik akeh bahan ilmuwan, ahli fisika, lan ahli kimia.

1.Hibibilitas lan dimensi

Ana rong cara utama kanggo nginfèksi atom karbon dadi nanomaterials karbon: sp2 utawa sp3. Ing mode hibrida sp2, saben atom karbon mbentuk telu orbital molekul sing disebarake seragam ing bidang ing sudut 120 derajat, lan p-orbit pangkat, sing umum disebut pz orbit; nanomaterials karbon sing paling khas Iku graphene sing misuwur. Ing mode hibrida sp3, saben atom karbon dadi orbital molekul sing sekedhik didistribusikan ing papan, kira-kira mbentuk wujud tetrahedron biasa saka awak menyang pucuk papat. Materi padhet sing khas makili berlian, nanging wakil khas dunia nanomaterial yaiku Adamantane. Adamantane minangka wakil saka kabeh kulawarga bahan, lan sawijining molekul ngandhut inti saka struktur mirah. Yen ngemot inti inti saka struktur berlian, maka kulawarga bahan kasebut bakal dadi Diamondoid. Gambar 1: Nanomaterials karbon khas diklasifikasèkaké miturut hibrida (sp2, baris pisanan utawa sp3, baris kapindho) lan dimensi materi.

Gambar 1

Ing ndhuwur mung hibrida, utamané, pilihan utama sing atom karbon siji bisa nggawe nalika mbentuk nanomaterial. Nalika akeh atom karbon digabungake, saliyane kanggo hibrida, padha bisa milih kanggo ngembangake maneka arah. Punika materi nadi-dimensi utawa materi lintang dhuwur? Bagan ndhuwur 1 nampilake macem-macem bahan perwakilan miturut hibrida lan dimensi.

Bahan siji-dimensi ing mode hybrid sp3 kurang khas. Panalawan sing nyinau babagan riset sing gegandhengan bisa uga mikirake Polyethylene, nanging ing istilah molekul individu, molekul polietilen ora duwe aturan konfigurasi sing dawa, utawa urutan sing akeh, lan ora ana sing ngasilake nanomaterials. Kekuatan mekanik.

2.carbon nanowires

Nggoleki materi ing ngisor iki, apa sing menarik? Apa ngalangi utawa macromolecule?

karbon nanowires

Iki jenis karbon nanomaterial anyar yaiku loro hibrida atom karbon sp3 lan komposisi siji-dimensi saka atom karbon. Ing wektu sing padha, bagean salib ora kaya molekul organik linier tradisional, nanging nduweni akeh ikatan kimia. Pass liwat bagean salib. Iki tegese bahan kasebut cedhak karo insulator berlian sajrone sifat elektronik. Luwih unggul ing sifat mekanik kanggo molekul organik lurus tradisional, lan kekuatan mekanik sing cedhak karo nanotubes karbon utawa graphene. Perhitungan teoritis mengkonfirmasi iki [1], diarani nanowires karbon, utawa nanothreads berlian.

Apa materi anyar iki kanthi wujud aneh mung pengarepan teoritis, utawa bisa bener-bener disiapake? Katoné bahan kasebut perlu diwiwiti saka sintesis molekul organik cilik, sawisé cilik nganti gedhe, nanging sacara eksperimental [2] liwat proses saka cilik nganti cilik, wiwit saka kondisi sing ngalangi benzena, sawise tekanan dhuwur 25GPa peran ikatan kimia hibrida sp2 asli dadi ikatan kimia hibrida sp3 ing tekanan dhuwur, saéngga nransformasi kristal molekul telu dimensi menyang nanomaterial karbon siji-dimensi.

Long-range dhawuh nanowires siji-dimensi ditampilake ing conto Gambar 2; Struktur tanpa urutan bisa uga diduweni ing eksperimen nyata. Gambar iki nuduhake struktur sing ora beraturan lan asil pemindaian mikroskopi kristal kristal nanowir yang didapat ing eksperimen.Long-range mrentah nanowires siji-dimensi

3.Pilih kalkulasi prinsip-prinsip sing pertama

Kaloro prinsip perhitungan performa apik ing ngira sifat materi. Nggabungke asil eksperimen asring ngarah marang perspektif sing luwih jero babagan interpretasi asil eksperimen. Ing sintesis saka nanowires karbon berlian, amarga kondisi eksperimen kasar, tekanan dhuwur 25GPa perlu diwujudake ing sel intan berlian cilik (DAC), saengga sintesis eksperimen bahan ora nduweni urutan jangkep, asil eksperimental sepisan maneh, ana gangguan banget. Perhitungan teoretis bisa mbantu kita mbedakake apa komposisi ngemot bahan anyar sing kita ngarepake.

Ing teori, kita dadi struktur nanowire karbon. Sawise nambahake gangguan tartamtu kanthi ngenalake rotasi ikatan kimia Stone-Wales, kita bisa nggunakake perhitungan teoritis kanggo nglakoni relaksasi posisi atom lan banjur entuk struktur optimal kanthi energi paling rendah. Perhitungan teoritis akurat bisa menehi jarak antara atom ing materi, utawa ngitung fungsi distribusi radial ing materi. Nemtokake asil teoritis kanthi asil eksperimen ing Gambar 4. Ora mung nandheske yen komposisi eksperimen wis sesuai karo struktur teoretis, nanging uga nemtokake struktur atom sing cocog karo resolusi puncak asil eksperimen.

Gambar 4. Perbandingan fungsi distribusi radial (RDF) saka nanowires sing disintesis kanthi eksperimen kanthi fungsi distribusi radial sing simulasi saka struktur nanowire karbon sing diprodhuksi secara teoritis.Gambar 4. Perbandingan fungsi distribusi radial

Pratélan prinsip pisanan menehi sipat optik saka materi kasebut. Spektroskopi Raman asring dipercaya minangka karakteristik eksperimen amarga ora kudu ngrusak komposisi eksperimental, lan puncak spektral bisa menehi pitutur marang kita yen mode getaran molekul duwe aktivitas Raman. Salah sawijining cara ngétung spektrum Raman kanthi téori fungsional kepadatan yaiku ngétung konstanta dielektrik saka molekul, lan banjur nglakoni pamindahan cilik ing posisi atom ing sadawane eigenmode saka getaran molekul kanggo ngétung owah-owahan konstanta dielektrik. Kanthi daya pangomputer modern ing komputer modern, saiki kita bisa kanthi gampang ngétung aktivitas Raman sawijining molekul kanggo nemtokake unit-unit struktural sing ana ing komposisi eksperimen. Gambar 5 nuduhake unit struktural karakteristik sing kalebu ing asil sintesis karbon nanowires kanthi pitungan lan analisis spektroskopi Raman.

Gambar 5. Perbandingan spektrum Raman percobaan karbon nanowires kanthi téori.tokoh 5

4. Functionalization

Fitur penting nanomaterials karbon yaiku kemampuan kanggo nambah macem-macem kelompok fungsi kanggo wong-wong mau. Nganti sawetara molekul organik cilik diganti ing tahap preparation saka persiapan sintetik. Ing bahan nanowire karbon, cara sing prasaja yaiku ngganti atom hidrogen (H) ing réaktan kanthi atom klorin (Cl), utawa ngganti atom karbon ing sajrone atom nitrogen (N) lan atom boron (B). Sampeyan bisa kasungsun kanggo ngganti sifat elektronik, sifat phonon, sifat termal utawa sifat mekanik. Gambar 6 nuduhake sawetara struktur nanowire khas sing dibentuk kanthi ngganti grup hidrokarbon karo atom nitrogen [4].

Sinau kanggo ngganti benzena kanthi reaktan awal sing ngandung atom nitrogen kanggo nyiptakake nanowires diterbitake ing artikel [3]. Pengganti iki minangka panggantos lengkap tinimbang doping, kanthi nggunakake piridine (pyridine, C5NH5) tinimbang dering benzene kanggo melu reaksi, proses reaksi isih padha karo nggunakake balast berlapis tekanan tinggi, karbon hibrida sp2 diubah dadi sp3 karbon hibrida Lan ngrampungake transformasi molekul cilik menyang materi siji-dimensi.

Nggunakake prinsip pratelan pisanan, kita bisa sinau kanthi rong cara, ing ngendi bahan nanowire karbon saka struktur kasebut disintesis. Salah siji kanggo mbandhingake sifat karakterisasi kabeh struktur calon kanthi eksperimen, kayata spektroskopi Raman, XRD, lan liya-liyane. Sing liyane secara alami diurutake dening energi. Ing ngitung energi nanowires karbon, struktur molekul lan periodicity kudu dioptimalake pisanan. Nanging, materi siji-dimensi iki nduweni sipat sing duwe struktur helisik, sing nggawe sawetara kesulitan ing pitungan.

Yen ngganti macromolecules sing dipotong ing ujung loro, kalkulator energi kudu ora akurat; yen sampeyan nggunakake kondhisi watesan sing sakwentoro, carane sampeyan nemtokake sudut helix? Cita-Cita bisa milih sawetara sudut heliks kanggo pitungan [2]. Saben amba beda, sing tegese dawa periode pambalik struktural beda ing struktur siji-dimensi. Sawise ngitung sawetara beda-beda sudute helix, energi rata-rata saben unit struktural (utawa rata-rata per atom) ditampa, lan pas regression kuadrat sing prasaja ditindakake ing sudut helix. Asumsi implisit saka regresi kuadrat fitting punika efek antarane rong unsur struktural jejer kira-kira spring-kaya. Senajan iki ora minangka hipotesis sing bener, isih bisa nangkep kekuatan utama ing antarane unit-unit jejer, amarga ing nanomaterials karbon, daya ikatan kovalen antarane atom-atom sing nutupi lan unit-unit struktural jejer digunakake. Hukum Hooke saka musim semi iku kira-kira.

Gambar 6. Papat khas nanowires karbon sing dihiasi karo atom nitrogen saka literatur [4]

Gambar 6. Papat khas nanowires karbon sing dihiasi karo atom nitrogen saka literatur

5.Mekanik mekanik

Nanomaterials karbon nduweni sifat elektrikal sing apik, nanging saiki akeh digunakake ing cahya mekanik: atom ringan, ikatan sing kuwat. Nanowires karbon duwe unit dasar berlian. Apa uga cukup kekuatan? Cukup, ya. Minangka ditampilake ing Figure 7, kalkulasi nuduhake yen nanowires karbon duwe modulus Young antarane 800 lan 930 GPa, sing cocog karo berlian alam (1220 GPa). Mesthine, kekuatan mekanik materi siji-dimensi iki arah. Iki minangka loro kerugian lan kauntungan: materi iki konsentrasi kabeh kekuatan mekanik ing siji arah. Sawetara malah mbayangno yen nanowire karbon iki bisa digunakake kanggo nggawe kabel kanggo lift ruang.

Gambar 7. Modulus Young saka telung jenis nanowires karbon berlian saka referensi [5].Gambar 7. Modulus Young saka telung jenis nanowires karbon berlambang saka referensi

6. Kesimpulan

Nanowires karbon Diamond wis bubar gabung karo kulawarga nanomaterials gedhe kanthi struktur siji-dimensi ketat lan kekuatan mekanik sing dhuwur. Ing proses riset, kanthi bantuan daya komputasi kuat, liwat pitungan prinsip kapisan, struktur nanowire atom karbon bisa dipelajari, lan interpretasi asil eksperimen bisa dibantu, lan asil eksperimen bisa dianalisis kanthi jero . Karbon nanowires, uga akeh fitur anyar nanostructures karbon, nunggu kalkulasi teoritis lan verifikasi eksperimental kanggo njelajah.

Referensi

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. Teori 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

 

Tambah Komentar

jv_IDBasa Jawa