그래 핀 탄소 나노 튜브의 도입뿐만 아니라 새로운 탄소 나노 물질과 그 보조 메커니즘도 등장합니다!

그래 핀 탄소 나노 튜브의 도입뿐만 아니라 새로운 탄소 나노 물질과 그 보조 메커니즘도 등장합니다!

최근 몇 년 동안 풀러렌, 탄소 나노 튜브 (CNTs, Carbon Nanotubes) 및 그래 펜 (Graphene)이 인기있는 탄소 나노 물질입니다. 현재이 분야에서 다섯 명의 과학자가 노벨상을 수상했습니다. 왜 탄소 나노 물질이 널리 보급 되었습니까? 예를 들어 탄소 섬유가 첨가 된 강으로 만든 자전거는 탄소 원자의 매우 작은 질량과 탄소 원자 사이 또는 탄소 원자와 다른 원자 사이의 화학 결합으로 인해 일반 자전거의 무게의 일부분에 지나지 않습니다. 매우 강한. 따라서 카본 나노 미터와 혼합 된 재료는 일반적으로 기계적 특성이 우수하고 전반적인 무게가 가볍습니다.

첫 번째 원칙은 물리학, 화학 및 재료 과학에서 널리 사용됩니다. 첫 번째 원칙은 Schrödinger 방정식에서 출발하고 재료의 대부분의 재료 특성을 매우 정확하게 계산하기 때문에 재료 설계, 재료 예측, 해석 실험 등은 제 1 원리 계산과 분리 할 수 없습니다. 또한 단열적인 가정과 결합하여 분자 역학을 시뮬레이션하는 데 사용할 수도 있습니다. 탄소 나노 물질의 분야에서 탄소 원자의 전자 상관 관계가 매우 약하고 제 1 원리 계산이 종종 매우 정확한 예측을 할 수 있기 때문에 제 1 원리 계산이 널리 사용됩니다.

이 기사에서는 잘 알려진 풀러렌, 탄소 나노 튜브 및 그래 핀에 탄소 원자가 결합되고 배열되는 방식이 약간 다른 새로운 유형의 탄소 나노 물질을 소개합니다. 이 미묘한 차이는 최종 소재 특성에 반영 될 수 있지만 크게 다를 수 있습니다. 탄소 원자 배열의 작은 차이는 탄소 나노 물질이 많은 물질 과학자, 물리학 자 및 화학자를 유인하는 물질 특성의 큰 차이로 이어질 수 있습니다.

1. 하이브리드 화 및 치수

탄소 나노 물질에 탄소 원자를 하이브리드 화하는 두 가지 주요 방법이 있습니다 : sp2 또는 sp3. sp2 하이브리드 모드에서, 각 탄소 원자는 120도 각도로 평면에 균일하게 분포 된 3 개의 분자 궤도를 형성하고, 일반적으로 pz 궤도로 알려진 평면을 벗어난 p 궤도를 형성한다. 가장 일반적인 탄소 나노 물질은 유명한 그라 핀입니다. sp3 하이브리드 모드에서 각 탄소 원자는 공간에서 균등하게 분포 된 4 개의 분자 궤도를 형성하며 몸체에서 4 개의 꼭지점에 이르는 정사면체의 형태를 대략적으로 형성합니다. 전형적인 고체 물질은 다이아몬드를 대표하지만, 나노 물질의 대표적인 대표적인 것은 아 다만 탄이다. Adamantane은 모든 종류의 물질을 대표하며 분자는 다이아몬드 구조의 핵심을 포함합니다. 다이아몬드 구조의 코어가 여러 개 포함되어있는 경우이 제품군은 Diamondoid가됩니다. 그림 1 : 하이브리드 화 (sp2, 첫 번째 행 또는 sp3, 두 번째 행) 및 재료 치수에 따라 분류 된 일반적인 탄소 나노 물질.

위의 것은 단순히 하이브리드 화 또는 오히려 단일 탄소 원자가 나노 물질을 형성 할 때 만들 수있는 주류 선택입니다. 하이브리드 화 외에도 많은 탄소 원자가 결합되면 어떤 방향으로도 팽창 할 수 있습니다. 그것은 제로 차원 물질인가 아니면 고위도 물질인가? 위 차트 1에는 하이브 리다이 제이션 및 치수에 따라 다양한 대표적인 재료가 나와 있습니다.

sp3 하이브리드 모드의 1 차원 재료에는 전형적인 것이 없습니다. 관련 연구에 익숙한 독자는 폴리에틸렌을 생각할 수도 있지만, 개별 분자의 측면에서 볼 때 폴리에틸렌 분자는 장거리 구성 규칙 또는 장거리 주문이 없으며 일반적으로 탄소 나노 물질에 대한 욕구가 부족합니다. 기계적 강도.

2. 탄소 나노 와이어

아래의 자료를 살펴보면 약간 재미 있을까요? 고체 또는 거대 분자입니까?

이 새로운 형태의 탄소 나노 물질은 탄소 원자의 sp3 하이브리드와 탄소 원자의 일차원 조성이다. 동시에, 그들의 횡단면은 전통적인 선형 유기 분자와 같지 않지만 여러 화학 결합을 가지고 있습니다. 횡단면을 통과하십시오. 이것은 이러한 물질이 전자 특성면에서 다이아몬드 절연체에 가깝다는 것을 의미합니다. 그들은 기존 선형 유기 분자보다 기계적 특성이 훨씬 뛰어나며, 기계적 강도는 탄소 나노 튜브 또는 그래 핀의 강도에 가깝습니다. 이론적 인 계산은 탄소 나노 와이어 (carbon nanowire) 또는 다이아몬드 나노 쓰레드 (diamond nanothreads) 라 불리는 이들 [1]을 확인합니다.

이상한 모양을 가진이 신소재가 이론적 인 기대입니까 아니면 실제로 준비 될 수 있습니까? 그러한 물질은 작고 큰 공정 후에 작은 유기 분자의 합성에서 시작해야하지만, 실험적으로 [2] 25GPa 고압 후에 벤젠의 고체 상태에서 시작하여 크고 작은 과정을 거치는 것으로 보인다. 원래 sp2 하이브리드 화학 결합의 역할은 고압 하에서 sp3 하이브리드 화학 결합이되어 3 차원 분자 결정을 1 차원 탄소 나노 물질로 변형시킨다.

장거리 주문 1 차원 나노 와이어는 그림 2의 예에 나와 있습니다. 실제 실험에서는 순서가없는 구조가 종종 얻어 질 수있다. 이 그림은 실험에서 얻어진 카본 나노 와이어 결정의 터널링 현미경 검사 결과와 무질서한 구조를 보여줍니다.

3. 제 1 원리 계산 적용

제 1 원리 계산은 재료의 특성을 예측할 때 잘 수행됩니다. 실험 결과를 결합하면 종종 실험 결과의 해석에 대한 심층적 인 시각이 생깁니다. 다이아몬드 카본 나노 와이어의 합성에서 가혹한 실험 조건으로 인해 매우 작은 다이아몬드 앤빌 셀 (DAC)에서 25GPa의 고압을 실현해야하므로 재료의 실험 합성에 장거리 차수가 부족하고 실험 결과 At 언뜻보기에는 많은 장애가 있습니다. 이론적 인 계산은 우리가 기대하는 새로운 물질이 성분에 포함되어 있는지를 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이론적으로, 우리는 탄소 나노 와이어 구조가되었다. Stone-Wales 화학 결합 회전을 도입하여 특정 장애를 추가 한 후, 이론적 계산을 사용하여 원자 위치 완화를 수행 한 다음 최저 에너지의 최적 구조를 얻을 수 있습니다. 정확한 이론 계산은 재료의 원자 간 거리를 제공하거나 재료의 방사형 분포 함수를 계산할 수 있습니다. 이론적 결과를 그림 4의 실험 결과와 비교합니다. 실험 구성이 이론적 구조와 일치한다는 것을 확인할뿐만 아니라 어떤 원자 구조가 실험 결과의 최대 분해능과 일치하는지 확인합니다.

그림 4. 이론적으로 생성 된 탄소 나노 와이어 구조의 시뮬레이션 된 방사형 분포 함수와 실험적으로 합성 된 나노 와이어의 방사형 분포 함수 (RDF)의 비교.

첫 번째 원리 계산은 재료의 광학 특성을 나타냅니다. 라만 분광학은 종종 실험 구성을 파괴 할 필요가 없기 때문에 실험 구성 성분을 특성화하는 신뢰할 수있는 수단이며, 스펙트럼 피크는 라만 활동이있는 분자 진동 모드를 알려줍니다. 밀도 함수 이론에 의해 라만 스펙트럼을 계산하는 한 가지 방법은 먼저 분자의 유전 상수를 계산 한 다음 분자 진동의 고유 모드를 따라 원자 위치의 작은 변위를 수행하여 유전 상수의 변화를 계산하는 것입니다. 현대 컴퓨터의 고급 컴퓨팅 능력으로 실험 구성에 존재하는 구조 단위를 결정하기 위해 분자의 라만 활동을 쉽게 계산할 수 있습니다. 도 5는 라만 분광기의 계산 및 분석에 의한 카본 나노 와이어의 합성 결과에 포함 된 특징적인 구조 단위를 나타낸다.

그림 5. 이론과 탄소 나노 와이어의 실험 라만 스펙트럼의 비교.

4. 기능화

탄소 나노 물질의 중요한 특징은 다양한 기능성 그룹을 추가 할 수 있다는 것입니다. 일부 작은 유기 분자가 합성 준비 단계에서 대체되는 한. 탄소 나노 와이어 물질에서, 간단한 방법은 반응물의 수소 원자 (H)를 염소 원자 (Cl)로 대체하거나, 그 안에있는 탄소 원자를 질소 원자 (N) 및 붕소 원자 (B)로 치환하는 것을 포함한다. 전자 특성, 포논 특성, 열적 특성 또는 기계적 특성을 변경하기 위해 기능화 될 수 있습니다. 그림 6은 탄화수소 그룹을 질소 원자로 대체하여 형성된 몇 가지 전형적인 나노 와이어 구조를 보여준다 [4].

나노 와이어를 합성하기 위해 벤젠을 질소 원자를 함유 한 초기 반응물로 대체하는 연구는 기사에 발표되어있다. 이 치환은 반응에 참여하기 위해 벤젠 고리 대신에 피리딘 (피리딘, C5NH5)을 사용하여 도핑 대신에 완전한 대체물이며, 반응 공정은 여전히 고압 다이아몬드 밸러스트의 사용과 유사하며, sp2 하이브리드 탄소는 sp3 hybrid carbon 그리고 작은 분자의 1 차원 물질로의 변환을 완료하십시오.

제 1 원리의 원리를 사용하여, 우리는 그 구조의 탄소 나노 와이어 물질이 합성되는 두 가지 방법으로 연구 할 수 있습니다. 하나는 모든 후보 구조물의 특성을 라만 분광학, XRD 등의 실험과 비교하는 것이다. 다른 하나는 자연스럽게 에너지로 분류됩니다. 탄소 나노 와이어의 에너지를 계산할 때, 먼저 분자 구조와 주기성을 최적화해야합니다. 그러나,이 1 차원 재료는 나선형 구조를 가지므로 계산시 어려움이 있습니다.

양쪽 끝에서 잘린 거대 분자를 대체하면 에너지 계산이 부정확합니다. 주기적인 경계 조건을 사용한다면 나선 각을 어떻게 결정합니까? 가능한 트릭은 계산을 위해 여러 나선 각을 선택하는 것입니다 [2]. 각 각도는 다르기 때문에 구조 반복주기의 길이가 1 차원 구조를 따라 다르다는 것을 의미합니다. 여러 가지 나선 각을 계산 한 후 구조 단위당 평균 에너지 (또는 원자 당 평균)를 구하고 나선 각에 간단한 2 차 회귀 적합성을 적용합니다. 2 차 회귀 피팅의 암시 적 가정은 두 개의 인접한 구조 요소 사이의 효과가 대략 봄과 같은 것입니다. 탄소 나노 물질은 인접한 원자와 인접한 구조 단위 사이의 공유 결합력이 사용되기 때문에 이것은 완전히 진정한 가설은 아니지만 인접한 단위 사이의 주요 힘을 여전히 포착 할 수 있습니다. Hooke의 봄 법칙은 근사치입니다.

그림 6. 문헌에서 질소 원자로 장식 된 4 개의 전형적인 다이아몬드 카본 나노 와이어 [4]

5. 기계적 강도

탄소 나노 물질은 훌륭한 전기적 특성을 많이 가지고 있지만, 이제는 기계적 경량, 즉 가벼운 원자, 강한 결합으로 널리 사용됩니다. 탄소 나노 와이어는 다이아몬드의 기본 단위를 가지고 있습니다. 그들은 또한 충분한 힘을 가지고 있을까요? 간단히 말해서, 네. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 계산 결과에 따르면 탄소 나노 와이어의 고유 탄성 계수는 800 ~ 930GPa이며 천연 다이아몬드 (1220GPa)와 유사합니다. 물론,이 1 차원 재료의 기계적 강도는 방향성을 지닙니다. 이것은 단점과 장점입니다.이 재료는 모든 기계적 강도를 한 방향으로 집중시킵니다. 심지어이 카본 나노 와이어는 우주 엘리베이터 용 케이블을 만드는데 사용될 수 있다고 상상한다.

그림 7. 참고 문헌 [5]에서 다이아몬드 카본 나노 와이어의 3 가지 다른 유형의 탄성 계수.

6. 결론

다이아몬드 카본 나노 와이어는 최근 엄격한 일차원 구조와 높은 기계적 강도로 탄소 나노 물질의 큰 계열에 합류했습니다. 연구 과정에서, 강력한 계산 능력의 도움으로, 제 1 원리 계산을 통해, 가능한 탄소 나노 와이어 원자 분자 구조가 연구 될 수 있고, 실험 결과의 해석이 보조 될 수 있으며, 실험 결과는 깊이 분석 될 수있다 . 탄소 나노 와이어는 탄소 나노 구조의 다른 많은 흥미로운 신기능뿐만 아니라보다 이론적 인 계산과 실험 검증을 기다리고 있습니다.

참고 문헌

1.Fitzgibbons, TC; Guthrie, M .; Xu, E.-s .; 크레스 피, VH; Davidowski, SK; 코디, 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 .; 크레스 피, 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 .; 크레스 피, VH; Badding, JV; Hoffmann, R. Chem. 이론 계산. 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