Nie tylko wprowadzono nanorurki węglowe grafenowe, ale także nowe nanomateriały węglowe i ich mechanizmy pomocnicze!

Fulleren, nanorurki węglowe (CNT, nanorurki węglowe) i grafeny (grafen) są popularnymi nanomateriałami węglowymi w ostatnich latach. Obecnie pięciu naukowców zdobyło Nagrodę Nobla w tej dziedzinie. Dlaczego nanomateriały węglowe są szeroko poszukiwane? Na przykład rowery wykonane ze stali z dodatkiem włókien węglowych stanowią jedynie ułamek masy zwykłych rowerów z powodu bardzo małej masy atomów węgla i wiązań chemicznych między atomami węgla lub między atomami węgla i innymi atomami. Bardzo silny. Dlatego materiały zmieszane z nanometrami węglowymi mają zwykle lepsze właściwości mechaniczne i mniejszą masę całkowitą.

Pierwsze zasady są szeroko stosowane w fizyce, chemii i materiałoznawstwie. Projektowanie materiałów, przewidywanie materiałów, eksperymenty interpretacyjne itp. Są nierozerwalnie związane z obliczaniem pierwszych zasad, ponieważ pierwsza zasada zaczyna się od równania Schrödingera i wymaga bardzo niewielu parametrów do obliczenia większości właściwości materiału bardzo dokładnie; W połączeniu z założeniem adiabatycznym można go również wykorzystać do symulacji dynamiki molekularnej. W dziedzinie nanomateriałów węglowych powszechnie stosuje się obliczenia pierwszych zasad, ponieważ korelacja elektronowa atomów węgla jest bardzo słaba, a obliczenia pierwszych zasad często dają bardzo dokładne prognozy.

W tym artykule zostaną wprowadzone nowe typy nanomateriałów węglowych, które różnią się nieco sposobem łączenia atomów węgla i układania ich w dobrze znane fulereny, nanorurki węglowe i grafen. Te subtelne różnice mogą być odzwierciedlone w końcowych właściwościach materiału, ale mogą się znacznie różnić. Niewielka różnica w rozmieszczeniu atomów węgla może przekładać się na duże różnice we właściwościach materiału, co ma miejsce, gdy nanomateriały węglowe przyciągają wielu naukowców zajmujących się materiałami, fizyków i chemików.

1.Hybrydyzacja i wymiar

Istnieją dwa główne sposoby hybrydyzacji atomów węgla z nanomateriałami węglowymi: sp2 lub sp3. W trybie hybrydowym sp2 każdy atom węgla tworzy trzy orbitale molekularne równomiernie rozmieszczone w płaszczyźnie pod kątem 120 stopni i poza płaszczyzną orbity, powszechnie znanej jako orbital pz; najbardziej typowe nanomateriały węglowe Jest to słynny grafen. W trybie hybrydowym sp3 każdy atom węgla tworzy cztery orbitale molekularne, które są równomiernie rozmieszczone w przestrzeni, z grubsza tworząc kształt regularnego czworościanu od ciała do czterech wierzchołków. Typowy stały materiał reprezentuje diament, ale typowym przedstawicielem świata nanomateriałów jest Adamantane. Adamantan jest przedstawicielem całej rodziny materiałów, a cząsteczka zawiera rdzeń struktury diamentu. Jeśli zawiera wiele rdzeni struktury diamentowej, wówczas ta rodzina materiałów stanie się Diamondoidem. Rysunek 1: Typowe nanomateriały węglowe sklasyfikowane według hybrydyzacji (sp2, pierwszy rząd lub sp3, drugi rząd) i wymiary materiału.

Rysunek 1

Powyższe jest po prostu hybrydyzacją, a raczej wyborem głównego nurtu, który pojedynczy atom węgla może wytworzyć tworząc nanomateriał. Gdy połączonych jest wiele atomów węgla, oprócz hybrydyzacji mogą wybrać ekspansję w dowolnym kierunku. Czy jest to materiał zerowymiarowy czy materiał o dużej szerokości geograficznej? Powyższy wykres 1 przedstawia różne reprezentatywne materiały według hybrydyzacji i wymiaru.

Jednowymiarowe materiały w trybie hybrydowym sp3 nie mają typowego. Czytelnicy zaznajomieni z odpowiednimi badaniami mogą myśleć o polietylenie, ale jeśli chodzi o pojedyncze cząsteczki, cząsteczki polietylenu nie mają pewnych zasad konfiguracji dalekiego zasięgu lub porządku na dalekie odległości i brakuje im głodu zwykle w nanomateriałach węglowych. Siła mechaniczna.

2. nanoprzewody węglowe

Czy patrząc na poniższy materiał jest to trochę interesujące? Czy to ciało stałe czy makrocząsteczka?

nanoprzewody węglowe

Ten nowy typ nanomateriału węglowego to zarówno hybryda sp3 atomów węgla, jak i jednowymiarowa kompozycja atomów węgla. Jednocześnie ich przekroje nie są tradycyjną liniową cząsteczką organiczną, ale mają wiele wiązań chemicznych. Przejdź przez przekrój. Oznacza to, że materiały te są bliskie diamentowym izolatorom pod względem właściwości elektronicznych. Są znacznie lepsze pod względem właściwości mechanicznych niż tradycyjne liniowe cząsteczki organiczne, a ich wytrzymałość mechaniczna jest zbliżona do wytrzymałości nanorurek węglowych lub grafenu. Teoretyczne obliczenia potwierdzają te [1], są one nazywane nanodrutami węglowymi lub nanometrami diamentowymi.

Czy ten nowy materiał o dziwnym kształcie jest tylko teoretycznym oczekiwaniem, czy może być rzeczywiście przygotowany? Wydaje się, że takie materiały muszą zaczynać się od syntezy małych cząsteczek organicznych po małym lub dużym procesie, ale eksperymentalnie [2] odbywa się poprzez proces od dużego do małego, począwszy od stanu stałego benzenu, po wysokim ciśnieniu 25GPa rola oryginalnego wiązania chemicznego hybrydy sp2 staje się wiązaniem chemicznym hybrydy sp3 pod wysokim ciśnieniem, tym samym przekształcając trójwymiarowy kryształ molekularny w jednowymiarowy nanomateriał węglowy.

Długodystansowe uporządkowane jednowymiarowe nanodruty pokazano na przykładzie z figury 2; nieuporządkowane struktury można często uzyskać w rzeczywistych eksperymentach. Rysunek przedstawia nieuporządkowaną strukturę i wyniki skaningowej mikroskopii tunelowej kryształów nanoprzewodów węglowych uzyskanych w eksperymentach.Długodystansowe uporządkowane jednowymiarowe nanodruty

3. Zastosowanie obliczeń pierwszych zasad

Obliczenia pierwszych zasad sprawdzają się dobrze w przewidywaniu właściwości materiałów. Łączenie wyników eksperymentalnych często prowadzi do bardziej dogłębnych perspektyw interpretacji wyników eksperymentalnych. W syntezie diamentowych nanodrutów węglowych, ze względu na trudne warunki eksperymentalne, wysokie ciśnienie 25GPa musi zostać zrealizowane w bardzo małej komórce kowadełka diamentowego (DAC), więc w eksperymentalnej syntezie materiałów brakuje uporządkowania dalekiego zasięgu, wyniki eksperymentalne At na pierwszy rzut oka jest wiele zakłóceń związanych z zaburzeniami. Obliczenia teoretyczne mogą pomóc nam rozróżnić, czy kompozycja zawiera nowe materiały, których oczekujemy.

Teoretycznie staliśmy się strukturą nanoprzewodów węglowych. Po dodaniu pewnego zaburzenia poprzez wprowadzenie rotacji wiązań chemicznych Stone-Wales, możemy użyć obliczeń teoretycznych do przeprowadzenia relaksacji pozycji atomowej, a następnie uzyskać optymalną strukturę o najniższej energii. Dokładne obliczenia teoretyczne mogą dać odległość między atomami w materiale lub obliczyć funkcję rozkładu promieniowego w materiale. Porównanie wyników teoretycznych z wynikami eksperymentalnymi na rysunku 4. Nie tylko potwierdza, że kompozycja eksperymentalna jest zgodna ze strukturą teoretyczną, ale również rozpoznaje, które struktury atomowe odpowiadają szczytowej rozdzielczości wyników eksperymentalnych.

Rysunek 4. Porównanie funkcji rozkładu promieniowego (RDF) eksperymentalnie zsyntetyzowanych nanodrutów z symulowaną funkcją rozkładu promieniowego teoretycznie generowanych struktur nanoprzewodów węglowych.Rysunek 4. Porównanie funkcji rozkładu promieniowego

Pierwsze obliczenie zasady daje właściwości optyczne materiału. Spektroskopia Ramana jest często niezawodnym sposobem charakteryzowania kompozycji eksperymentalnych, ponieważ nie musi niszczyć składu eksperymentalnego, a piki widmowe mogą nam powiedzieć, jakie tryby drgań cząsteczkowych mają aktywność Ramana. Jedną z metod obliczania widma Ramana za pomocą teorii funkcjonalności gęstości jest najpierw obliczenie stałej dielektrycznej cząsteczki, a następnie wykonanie małego przesunięcia pozycji atomu wzdłuż trybu własnego drgań cząsteczkowych w celu obliczenia zmiany stałej dielektrycznej. Dzięki zaawansowanej mocy obliczeniowej nowoczesnych komputerów, możemy teraz łatwo obliczyć aktywność Ramana cząsteczki, aby określić, które jednostki strukturalne są obecne w kompozycji eksperymentalnej. Figura 5 przedstawia charakterystyczną jednostkę strukturalną zawartą w wynikach syntezy nanodrutów węglowych poprzez obliczenie i analizę spektroskopii Ramana.

Rysunek 5. Porównanie eksperymentalnych widm Ramana nanoprzewodów węglowych z teorią.rysunek 5

4. Funkcjonalizacja

Ważną cechą nanomateriałów węglowych jest możliwość dodawania do nich różnych grup funkcyjnych. Tak długo, jak niektóre małe cząsteczki organiczne zostaną zastąpione na etapie przygotowania syntetycznego preparatu. W materiale z nanoprzewodów węglowych prosta metoda polega na zastąpieniu atomu wodoru (H) w reagencie atomem chloru (Cl) lub zastąpieniu w nim atomu węgla atomem azotu (N) i atomem boru (B). Może być funkcjonalizowany w celu zmiany jego właściwości elektronicznych, właściwości fononów, właściwości termicznych lub właściwości mechanicznych. Rysunek 6 pokazuje kilka typowych struktur nanoprzewodów utworzonych przez zastąpienie grup węglowodorowych atomami azotu [4].

Badanie zastąpienia benzenu początkowym reagentem zawierającym atom azotu do syntezy nanodrutów zostało opublikowane w artykule [3]. Zastąpienie to jest całkowitym zastąpieniem zamiast domieszkowania, przy użyciu pirydyny (pirydyny, C5NH5) zamiast pierścienia benzenowego do udziału w reakcji, proces reakcji jest nadal podobny do stosowania wysokociśnieniowego balastu diamentowego, węgiel hybrydowy sp2 jest przekształcany w węgiel hybrydowy sp3 I zakończyć transformację małych cząsteczek w materiały jednowymiarowe.

Korzystając z zasady pierwszych zasad, możemy badać dwiema metodami, w których syntetyzuje się materiał nanoprzewodów węglowych tej struktury. Jednym z nich jest porównanie właściwości charakteryzujących wszystkie struktury kandydujące z eksperymentami, takimi jak spektroskopia Ramana, XRD i tak dalej. Drugi jest naturalnie sortowany według ich energii. Przy obliczaniu energii nanodrutów węglowych należy najpierw zoptymalizować ich strukturę molekularną i okresowość. Jednakże ten jednowymiarowy materiał ma cechę charakterystyczną, że ma strukturę śrubową, co stwarza pewne trudności w obliczeniach.

Jeśli zastąpisz makrocząsteczki, które są obcięte na obu końcach, obliczenie energii musi być niedokładne; jeśli używasz okresowych warunków brzegowych, w jaki sposób określasz kąt linii śrubowej? Możliwą sztuczką jest wybranie kilku kątów helisy do obliczenia [2]. Każdy kąt jest inny, co oznacza, że długość okresu powtarzania konstrukcji jest różna w strukturze jednowymiarowej. Po obliczeniu liczby różnych kątów helisy uzyskuje się średnią energię na jednostkę strukturalną (lub średnią na atom), a na kącie linii śrubowej wykonuje się proste dopasowanie regresji kwadratowej. Ukryte założenie kwadratowego dopasowania regresji polega na tym, że efekt pomiędzy dwoma sąsiednimi elementami strukturalnymi jest w przybliżeniu podobny do sprężyny. Chociaż nie jest to całkowicie prawdziwa hipoteza, może ona nadal wychwytywać główną siłę między sąsiednimi jednostkami, ponieważ w nanomateriałach węglowych wykorzystuje się kowalencyjne siły wiązania między sąsiednimi atomami i sąsiednimi jednostkami strukturalnymi. Prawo Hooke'a dotyczące sprężyny jest przybliżone.

Rysunek 6. Cztery typowe diamentowe nanoprzewody węglowe ozdobione atomami azotu z literatury [4]

Rysunek 6. Cztery typowe diamentowe nanoprzewody węglowe ozdobione atomami azotu z literatury

5. Siła mechaniczna

Nanomateriały węglowe mają wiele wspaniałych właściwości elektrycznych, ale teraz są szeroko stosowane w ich mechanicznej lekkości: lekkie atomy, silne wiązanie. Nanodruty węglowe mają podstawową jednostkę diamentów. Czy będą mieli wystarczająco siły? Po prostu tak. Jak pokazano na rysunku 7, obliczenia pokazują, że nanoprzewody węglowe mają moduł Younga między 800 a 930 GPa, co jest porównywalne z diamentami naturalnymi (1220 GPa). Oczywiście wytrzymałość mechaniczna tego jednowymiarowego materiału jest kierunkowa. Jest to zarówno wada, jak i zaleta: ten materiał koncentruje wszystkie siły mechaniczne w jednym kierunku. Niektórzy nawet wyobrażają sobie, że ten węglowy nanoprzewód może być użyty do wykonania kabla do kosmicznej windy.

Rysunek 7. Moduł Younga trzech różnych rodzajów diamentowych nanodrutów węglowych z odniesienia [5].Rysunek 7. Moduł Younga trzech różnych rodzajów diamentowych nanodrutów węglowych z odniesienia

6. Wniosek

Diamentowe nanoprzewody węglowe dołączyły niedawno do dużej rodziny nanomateriałów węglowych o ścisłej jednowymiarowej strukturze i wysokiej wytrzymałości mechanicznej. W procesie badawczym, z pomocą potężnej mocy obliczeniowej, poprzez obliczenie pierwszych zasad, możliwe jest zbadanie możliwej atomowej struktury molekularnej nanoprzewodów węglowych, a interpretacja wyników eksperymentalnych może być wspomagana, a wyniki eksperymentalne mogą być analizowane dogłębnie. . Nanodruty węglowe, a także wiele innych interesujących nowych cech nanostruktur węglowych, czekają na dalsze obliczenia teoretyczne i weryfikację eksperymentalną.

Referencje

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. Teoria 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

 

Dodaj komentarz

pl_PLPolski