Sadece grafen karbon nanotüplerin tanıtılması değil, aynı zamanda yeni karbon nanomalzemeleri ve yardımcı mekanizmaları da gelir！

Sadece grafen karbon nanotüplerin tanıtılması değil, aynı zamanda yeni karbon nanomalzemeleri ve yardımcı mekanizmaları da gelir！

Fulleren, karbon nanotüpleri (CNT'ler, Karbon Nanotüpleri) ve grafenler (Grafen) son yıllarda popüler karbon nanomalzemeleridir. Halen beş bilim adamı bu alanda Nobel Ödülü'nü kazanmıştır. Neden karbon nanomalzemeleri daha çok aranır? Örneğin, karbon fiber ilaveli çelikten yapılan bisikletler, çok küçük karbon atom kütlesi ve karbon atomları arasındaki veya karbon atomları ile diğer atomlar arasındaki kimyasal bağlar nedeniyle, normal bisikletlerin ağırlığının sadece bir kısmıdır. Çok güçlü. Bu nedenle, karbon nanometreleri ile karıştırılan malzemeler genellikle daha iyi mekanik özelliklere ve daha hafif toplam ağırlığa sahiptir.

İlk prensipler fizik, kimya ve malzeme biliminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Malzeme tasarımı, malzeme tahmini, yorumlama deneyleri, vb. İlk prensip hesaplamasından ayrılmaz, çünkü ilk prensip Schrödinger denkleminden başlıyor ve materyalin malzeme özelliklerinin çoğunu çok doğru bir şekilde hesaplamak için çok az parametre gerektiriyor; Adyabatik varsayım ile birlikte, moleküler dinamiği simüle etmek için de kullanılabilir. Karbon nanomalzemeleri alanında, ilk prensip hesaplamaları yaygın olarak kullanılır, çünkü karbon atomlarının elektronik korelasyonu çok zayıftır ve birinci prensip hesaplamaları genellikle çok doğru tahminler yapabilir.

Bu makale, karbon atomlarının iyi bilinen fullerenler, karbon nanotüpler ve grafenlerde bir araya getirilmesi ve düzenlenmesi konusunda biraz farklı olan bazı yeni tip karbon nanomalzemelerini tanıtacaktır. Bu ince farklar, nihai malzeme özelliklerine yansıyabilir, ancak büyük ölçüde değişebilir. Karbon atomlarının düzenlenmesindeki küçük bir fark, karbon nanomalzemelerinin birçok malzeme bilimcisi, fizikçi ve kimyagerleri çektiği malzeme özelliklerinde büyük farklılıklara neden olabilir.

1. hibridizasyon ve boyut

Karbon atomlarını karbon nanomalzemelerine melezlemenin iki ana yolu vardır: sp2 veya sp3. Sp2 hibrit modunda, her bir karbon atomu, 120 derecelik bir açıda bir düzlemde düzgün bir şekilde dağılmış üç moleküler yörüngeyi ve genel olarak pz orbital olarak bilinen bir düzlem dışı p-yörüngesini oluşturur; en tipik karbon nanomalzemeleri Ünlü bir grafendir. Sp3 hibrit modunda her karbon atomu, kabaca vücuttan dört köşeye kadar düzenli bir tetrahedron şeklini oluşturan uzayda eşit dağılmış dört moleküler orbital oluşturur. Tipik bir katı malzeme bir elması temsil eder, ancak nanomalzemeler dünyasının tipik bir temsilcisi Adamantane'dir. Adamantane bütün bir malzeme ailesinin temsilcisidir ve bir molekül elmas yapısının bir çekirdeğini içerir. Birden fazla elmas yapı çekirdeği varsa, bu malzeme ailesi Diamondoid olacaktır. Şekil 1: Hibridizasyona (sp2, ilk sıra; veya sp3, ikinci sıraya) ve malzeme boyutlarına göre sınıflandırılan tipik karbon nanomalzemeleri.

Yukarıdakiler sadece hibridizasyon veya daha doğrusu, bir nanomalzeme oluştururken tek bir karbon atomunun yapabileceği bir ana seçimdir. Birçok karbon atomu birleştirildiğinde, hibridizasyona ek olarak, herhangi bir yönde genişlemeyi seçebilirler. Sıfır boyutlu bir malzeme mi yoksa yüksek enlemesine bir malzeme mi? Yukarıdaki grafik 1, hibridizasyon ve boyuta göre çeşitli temsili malzemeleri listeler.

Sp3 hibrid modundaki tek boyutlu malzemeler tipik değildir. İlgili araştırmalara aşina olan okuyucular Polietilen'i düşünebilir, ancak tek tek moleküller açısından, polietilen molekülleri bazı uzun vadeli konfigürasyon kurallarından veya uzun menzilli düzenden yoksundur ve genellikle karbon nanomalzemelerinde istek duymazlar. Mekanik dayanım

2. karbon nanotelleri

Aşağıdaki malzemeye bakınca biraz ilginç mi? Katı mı yoksa makromolekül mü?

Bu yeni tip karbon nanomalzemesi, hem sp3 karbon atomu melezi hem de bir boyutlu karbon atomu bileşimidir. Aynı zamanda, kesitleri geleneksel bir lineer organik moleküle benzemez, ancak çoklu kimyasal bağlara sahiptir. Kesitten geç. Bu, bu malzemelerin elektronik özellikler açısından elmas izolatörlere yakın olduğu anlamına gelir. Mekanik özelliklerinde geleneksel lineer organik moleküllere göre çok üstündürler ve mekanik güçleri karbon nanotüplerin veya grafenlerinkine yakındır. Teorik hesaplamalar bunları [1] doğrular, buna karbon nanotelleri veya elmas nanotezler denir.

Garip bir şekle sahip olan bu yeni materyal sadece teorik bir beklenti midir, yoksa gerçekten hazırlanabilir mi? Bu tür malzemelerin, küçük ila büyük bir işlemden sonra küçük organik moleküllerin sentezinden başlaması gerektiği, ancak deneysel olarak [2], 25GPa yüksek basınçtan sonra, benzenin katı halinden başlayarak, büyükten küçüğe doğru bir işlemden geçmesi gerektiği anlaşılmaktadır. Orijinal sp2 hibrit kimyasal bağın rolü, yüksek basınç altında bir sp3 hibrid kimyasal bağ haline gelir, böylece üç boyutlu moleküler kristal, bir boyutlu karbon nanomalzene dönüştürülür.

Uzun mesafeli sıralı tek boyutlu nanoteller, Şekil 2'deki örnekte gösterilmiştir; sıralanmamış yapılar genellikle gerçek deneylerde elde edilebilir. Bu şekil düzensiz bir yapı ve deneylerde elde edilen karbon nanotel kristallerinin tünel açma mikroskopisinin sonuçlarını göstermektedir.

3.İlk ilkeler hesaplamalarını uygulamak

İlk prensip hesaplamaları, malzemelerin özelliklerini tahmin etmede iyi performans gösterir. Deneysel sonuçların birleştirilmesi genellikle deneysel sonuçların yorumlanması hakkında daha derinlemesine perspektiflere yol açar. Elmas karbon nanotellerinin sentezinde, zorlu deneysel koşullar nedeniyle, 25GPa'nın yüksek basıncının çok küçük bir elmas örs hücresinde (DAC) gerçekleştirilmesi gerekir, bu nedenle malzemelerin deneysel sentezi uzun menzilli düzenden yoksundur, deneysel sonuçlar ilk bakışta, çok fazla bozukluk girişim var. Teorik hesaplamalar, bileşimin beklediğimiz yeni malzemeleri içerip içermediğini ayırt etmemize yardımcı olabilir.

Teoride, bir karbon nanotel yapısı haline geldik. Stone-Wales kimyasal bağ rotasyonunu tanıtarak belli bir bozukluğu ekledikten sonra, teorik hesaplamayı atomik konum gevşetme yapmak için kullanabiliriz ve sonra en düşük enerjili optimum yapıyı elde edebiliriz. Doğru teorik hesaplamalar bir malzemedeki atomlar arasındaki mesafeyi verebilir veya bir malzemedeki radyal dağılım fonksiyonunu hesaplayabilir. Teorik sonuçların Şekil 4'teki deneysel sonuçlarla karşılaştırılması Sadece deneysel bileşimin teorik yapı ile uyuşmadığını teyit etmekle kalmayıp, aynı zamanda hangi atomik yapıların deneysel sonuçların en yüksek çözünürlüğüne karşılık geldiğini de saptar.

Şekil 4. Deneysel olarak sentezlenen nanotellerin radyal dağılım fonksiyonunun (RDF) teorik olarak üretilen karbon nanotel yapılarının simüle edilmiş radyal dağılım fonksiyonuyla karşılaştırılması.

İlk prensip hesaplaması malzemenin optik özelliklerini verir. Raman spektroskopisi genellikle deneysel kompozisyonları karakterize etmenin güvenilir bir yoludur, çünkü deneysel kompozisyonu yok etmek zorunda değildir ve spektral zirveler bize hangi moleküler titreşim modlarının Raman aktivitesine sahip olduğunu söyleyebilir. Yoğunluk fonksiyonel teorisi ile Raman spektrumunu hesaplamak için bir yöntem, ilk önce molekülün dielektrik sabitini hesaplamak ve daha sonra dielektrik sabitinin değişimini hesaplamak için moleküler titreşimin öznodu boyunca atom konumunun küçük bir yer değiştirmesini gerçekleştirmektir. Modern bilgisayarların gelişmiş bilgi işlem gücü sayesinde, deney kompozisyonunda hangi yapısal birimlerin mevcut olduğunu belirlemek için bir molekülün Raman aktivitesini kolayca hesaplayabiliriz. Şekil 5, Raman spektroskopisinin hesaplanması ve analizi ile karbon nanotellerinin sentez sonuçlarına dahil edilen karakteristik bir yapısal birimi göstermektedir.

Şekil 5. Karbon nanotellerinin deneysel Raman spektrumlarının teori ile karşılaştırılması.

4. İşlevselleştirme

Karbon nanomalzemelerinin önemli bir özelliği, bunlara çeşitli fonksiyonel gruplar ekleme yeteneğidir. Sentetik preparasyonun hazırlama aşamasında bazı küçük organik moleküller değiştirildiği sürece. Karbon nanotel malzemesinde, basit bir yöntem, reaktan içindeki hidrojen atomunun (H) bir klorin atomuyla (Cl) değiştirilmesini veya içindeki karbon atomunun bir nitrojen atomuyla (N) ve bir bor atomuyla (B) değiştirilmesini içerir. Elektronik özelliklerini, fonon özelliklerini, termal özelliklerini veya mekanik özelliklerini değiştirmek için işlevselleştirilebilir. Şekil 6, hidrokarbon gruplarının nitrojen atomları ile değiştirilmesiyle oluşturulan birçok tipik nanotel yapısını göstermektedir [4].

Benzenlerin nanotelleri sentezlemek için bir nitrojen atomu içeren bir ilk reaktif ile değiştirilmesi ile ilgili çalışma makalede [3] yayınlanmıştır. Bu ikame etme, tepkimeye katılmak için benzen halkası yerine piridin (piridin, C5NH5) kullanılarak doping yerine tam bir ikamedir, tepkime işlemi hala yüksek basınçlı elmas balastının kullanımına benzer, sp2 hibrit karbonu dönüştürülür. sp3 hibrit karbon Ve küçük moleküllerin bir boyutlu malzemelere dönüşümünü tamamla.

İlk prensipler ilkesini kullanarak, bu yapının karbon nanotel malzemesinin sentezlendiği iki yöntemle çalışabiliriz. Birincisi, tüm aday yapıların karakterizasyon özelliklerini, Raman spektroskopisi, XRD ve benzeri gibi deneylerle karşılaştırmaktır. Diğer doğal olarak enerjilerine göre sıralanır. Karbon nanotellerin enerjisinin hesaplanmasında öncelikle moleküler yapıları ve periyodiklikleri optimize edilmelidir. Bununla birlikte, bu tek boyutlu malzeme, hesaplamada bazı zorluklar yaratan sarmal bir yapıya sahip olma özelliğine sahiptir.

İki ucunda kesilmiş olan makromoleküllerin yerini değiştirirseniz, enerji hesaplamasının yanlış olması gerekir; Periyodik sınır şartları kullanıyorsanız, helis açısını nasıl belirlersiniz? Uygun bir numara, hesaplama için birkaç helis açısı seçmektir [2]. Her açı farklıdır; bu, bir yapısal tekrar periyodunun uzunluğunun, tek boyutlu yapı boyunca farklı olduğu anlamına gelir. Birkaç farklı sarmal açısı hesaplandıktan sonra, yapısal birim başına (veya atom başına ortalama) ortalama enerji elde edilir ve sarmal açısına basit bir kuadratik regresyon uyumu gerçekleştirilir. Kuadratik regresyon uydurmasının örtük varsayımı, iki bitişik yapısal eleman arasındaki etkinin yaklaşık olarak bahar benzeri olmasıdır. Bu tamamen doğru bir hipotez olmasa da, bitişik birimler arasındaki ana kuvveti yakalayabilir, çünkü karbon nanomalzemelerinde, bitişik atomlar ile bitişik yapısal birimler arasında kovalent bağ kuvvetleri kullanılır. Hooke'nin bahar yasası yaklaşıktır.

Şekil 6. Literatürden azot atomları ile süslenmiş dört tipik elmas karbon nanotelleri [4]

5. mekanik gücü

Karbon nanomalzemeleri birçok harika elektriksel özelliğe sahiptir, ancak şimdi mekanik hafifliklerinde yaygın olarak kullanılmaktadır: hafif atomlar, güçlü bağlanma. Karbon nanotellerin temel elmas birimi vardır. Aynı zamanda yeterli güçleri olacak mı? Basitçe söylemek gerekirse, evet. Şekil 7'de gösterildiği gibi, hesaplamalar, karbon nanotellerinin doğal elmaslarla (1220 GPa) karşılaştırılabilen 800 ila 930 GPa arasında bir Young modülüne sahip olduğunu göstermektedir. Tabii ki, bu tek boyutlu malzemenin mekanik gücü yönsüzdür. Bu hem dezavantaj hem de avantajdır: bu malzeme tüm mekanik güçlerini bir yönde yoğunlaştırır. Bazıları bile bu karbon nanotelinin bir uzay asansörü için bir kablo yapmak için kullanılabileceğini hayal ediyor.

Şekil 7. Young'ın referanstan farklı üç tip elmas karbon nanoteli modülü [5].

6. Sonuç

Diamond carbon nanotel telleri, yakın zamanda, katı bir boyutlu yapı ve yüksek mekanik mukavemet ile büyük karbon nanomalzemeleri ailesine katıldı. Araştırma sürecinde, güçlü hesaplama gücü yardımıyla, ilk prensiplerin hesaplanması yoluyla, olası karbon nanotel atomik moleküler yapısı incelenebilir ve deneysel sonuçların yorumlanması desteklenebilir ve deneysel sonuçlar derinlemesine analiz edilebilir. . Karbon nanotelleri, karbon nanoyapıların diğer ilginç özelliklerinin yanı sıra, daha teorik hesaplamalar ve keşfedilecek deneysel doğrulama için bekliyor.

Referanslar

1. Fitzgbons, 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 Hesaplama. 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