Es werden nicht nur Graphen-Kohlenstoffnanor?hren eingeführt, sondern auch neue Kohlenstoffnanomaterialien und ihre Hilfsmechanismen！

Fulleren, Kohlenstoffnanor?hren (CNTs, Kohlenstoffnanor?hren) und Graphene (Graphen) sind in den letzten Jahren beliebte Kohlenstoffnanomaterialien. Derzeit haben fünf Wissenschaftler auf diesem Gebiet den Nobelpreis gewonnen. Warum sind Kohlenstoffnanomaterialien weit verbreitet? Zum Beispiel machen Fahrr?der aus Stahl mit Kohlenstofffaserzusatz aufgrund der sehr geringen Masse an Kohlenstoffatomen und der chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen oder zwischen Kohlenstoffatomen und anderen Atomen nur einen Bruchteil des Gewichts gew?hnlicher Fahrr?der aus. Sehr stark. Daher haben mit Kohlenstoffnanometern gemischte Materialien normalerweise bessere mechanische Eigenschaften und ein geringeres Gesamtgewicht.

Erste Prinzipien sind in der Physik, Chemie und Materialwissenschaft weit verbreitet. Materialdesign, Materialvorhersage, Interpretationsexperimente usw. sind untrennbar mit der Berechnung der ersten Prinzipien verbunden, da das erste Prinzip von der Schr?dinger-Gleichung ausgeht und nur sehr wenige Parameter erfordert, um die meisten Materialeigenschaften des Materials sehr genau zu berechnen. In Kombination mit der adiabatischen Annahme kann damit auch die Molekulardynamik simuliert werden. Auf dem Gebiet der Kohlenstoffnanomaterialien werden h?ufig Berechnungen nach dem ersten Prinzip verwendet, da die elektronische Korrelation von Kohlenstoffatomen sehr schwach ist und die Berechnungen nach dem ersten Prinzip h?ufig sehr genaue Vorhersagen treffen k?nnen.

In diesem Artikel werden einige neue Arten von Kohlenstoffnanomaterialien vorgestellt, die sich geringfügig in der Art und Weise unterscheiden, wie Kohlenstoffatome in bekannten Fullerenen, Kohlenstoffnanor?hren und Graphen kombiniert und angeordnet werden. Diese subtilen Unterschiede k?nnen sich in den endgültigen Materialeigenschaften widerspiegeln, k?nnen jedoch stark variieren. Ein kleiner Unterschied in der Anordnung der Kohlenstoffatome kann zu gro?en Unterschieden in den Materialeigenschaften führen. Hier ziehen Kohlenstoffnanomaterialien viele Materialwissenschaftler, Physiker und Chemiker an.

1. Hybridisierung und Dimension

Es gibt zwei M?glichkeiten, Kohlenstoffatome mit Kohlenstoffnanomaterialien zu hybridisieren: sp2 oder sp3. Im sp2-Hybridmodus bildet jedes Kohlenstoffatom drei Molekülorbitale, die gleichm??ig in einer Ebene in einem Winkel von 120 Grad verteilt sind, und eine p-Umlaufbahn au?erhalb der Ebene, die allgemein als pz-Orbital bekannt ist. Die typischsten Kohlenstoffnanomaterialien Es ist ein berühmtes Graphen. Im sp3-Hybridmodus bildet jedes Kohlenstoffatom vier Molekülorbitale, die gleichm??ig im Raum verteilt sind und ungef?hr die Form eines regelm??igen Tetraeders vom K?rper bis zu den vier Eckpunkten bilden. Ein typisches festes Material stellt einen Diamanten dar, aber ein typischer Vertreter der Welt der Nanomaterialien ist Adamantan. Adamantan ist ein Vertreter einer ganzen Familie von Materialien, und ein Molekül enth?lt einen Kern der Diamantstruktur. Wenn es mehrere Kerne mit Diamantstruktur enth?lt, wird diese Materialfamilie zu Diamondoid. Abbildung 1: Typische Kohlenstoffnanomaterialien, klassifiziert nach Hybridisierung (sp2, erste Reihe; oder sp3, zweite Reihe) und Materialabmessungen.

Das Obige ist nur eine Hybridisierung oder vielmehr eine g?ngige Wahl, die ein einzelnes Kohlenstoffatom bei der Bildung eines Nanomaterials treffen kann. Wenn viele Kohlenstoffatome zus?tzlich zur Hybridisierung kombiniert werden, k?nnen sie sich in jede Richtung ausdehnen. Ist es ein nulldimensionales Material oder ein Material mit hohem Breitengrad? Die obige Tabelle 1 listet verschiedene repr?sentative Materialien nach Hybridisierung und Dimension auf.

Eindimensionale Materialien im sp3-Hybridmodus haben keine typischen. Leser, die mit einschl?giger Forschung vertraut sind, denken vielleicht an Polyethylen, aber in Bezug auf einzelne Moleküle fehlen Polyethylenmolekülen einige Regeln für die Konfiguration über gro?e Entfernungen oder die Reihenfolge über gro?e Entfernungen und es fehlt das Verlangen, das normalerweise in Kohlenstoffnanomaterialien besteht. Mechanische Festigkeit.

2. Kohlenstoffnanodr?hte

Ist das Material unten etwas interessant? Ist es fest oder makromolekülig?

Diese neue Art von Kohlenstoffnanomaterial ist sowohl ein sp3-Hybrid von Kohlenstoffatomen als auch eine eindimensionale Zusammensetzung von Kohlenstoffatomen. Gleichzeitig ?hneln ihre Querschnitte nicht einem herk?mmlichen linearen organischen Molekül, sondern weisen mehrere chemische Bindungen auf. Durch den Querschnitt gehen. Dies bedeutet, dass diese Materialien hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften Diamantisolatoren nahe kommen. Sie sind herk?mmlichen linearen organischen Molekülen in ihren mechanischen Eigenschaften weit überlegen, und ihre mechanische Festigkeit liegt nahe an der von Kohlenstoffnanor?hren oder Graphen. Theoretische Berechnungen best?tigen diese [1], sie werden Kohlenstoffnanodr?hte oder Diamantnanof?den genannt.

Ist dieses neue Material mit einer seltsamen Form nur eine theoretische Erwartung oder kann es tats?chlich hergestellt werden? Es scheint, dass solche Materialien nach einem kleinen bis gro?en Prozess von der Synthese kleiner organischer Moleküle ausgehen müssen, aber experimentell [2] durch einen Prozess von gro? nach klein, ausgehend vom festen Zustand von Benzol, nach 25 GPa Hochdruck Die Rolle der ursprünglichen chemischen sp2-Hybridbindung wird unter hohem Druck zu einer chemischen sp3-Hybridbindung, wodurch der dreidimensionale Molekülkristall in ein eindimensionales Kohlenstoffnanomaterial umgewandelt wird.

Langreichweitig geordnete eindimensionale Nanodr?hte sind im Beispiel von Abbildung 2 dargestellt. In tats?chlichen Experimenten k?nnen h?ufig ungeordnete Strukturen erhalten werden. Diese Figur zeigt eine ungeordnete Struktur und die Ergebnisse der Rastertunnelmikroskopie von Kohlenstoffnanodrahtkristallen, die in Experimenten erhalten wurden.

3. Anwendung von First-Principles-Berechnungen

First-Principles-Berechnungen eignen sich gut zur Vorhersage der Materialeigenschaften. Die Kombination experimenteller Ergebnisse führt h?ufig zu tieferen Perspektiven für die Interpretation experimenteller Ergebnisse. Bei der Synthese von Diamant-Kohlenstoff-Nanodr?hten muss aufgrund der rauen experimentellen Bedingungen der hohe Druck von 25 GPa in einer sehr kleinen Diamant-Amboss-Zelle (DAC) realisiert werden, so dass der experimentellen Synthese von Materialien keine experimentellen Ergebnisse mit gro?er Reichweite vorliegen Auf den ersten Blick gibt es viele St?rungen. Die theoretischen Berechnungen k?nnen uns helfen, zu unterscheiden, ob die Zusammensetzung die neuen Materialien enth?lt, die wir erwarten.

Theoretisch sind wir zu einer Kohlenstoffnanodrahtstruktur geworden. Nachdem wir durch Einführung der Rotation der chemischen Bindung zwischen Stein und Wales eine bestimmte St?rung hinzugefügt haben, k?nnen wir die theoretische Berechnung verwenden, um die Relaxation der Atomposition durchzuführen und dann die optimale Struktur mit der niedrigsten Energie zu erhalten. Genaue theoretische Berechnungen k?nnen den Abstand zwischen Atomen in einem Material angeben oder die radiale Verteilungsfunktion in einem Material berechnen. Vergleich der theoretischen Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen in Abbildung 4. Dies best?tigt nicht nur, dass die experimentelle Zusammensetzung mit der theoretischen Struktur übereinstimmt, sondern erkennt auch, welche Atomstrukturen der Spitzenaufl?sung der experimentellen Ergebnisse entsprechen.

Figure 4. Vergleich der Radialverteilungsfunktion (RDF) experimentell synthetisierter Nanodr?hte mit der simulierten Radialverteilungsfunktion theoretisch erzeugter Kohlenstoffnanodrahtstrukturen.

Die erste Prinzipberechnung gibt die optischen Eigenschaften des Materials an. Die Raman-Spektroskopie ist oft ein zuverl?ssiges Mittel zur Charakterisierung experimenteller Zusammensetzungen, da sie die experimentelle Zusammensetzung nicht zerst?ren muss und spektrale Peaks Aufschluss darüber geben k?nnen, welche molekularen Schwingungsmoden Raman-Aktivit?t haben. Eine Methode zur Berechnung des Raman-Spektrums durch Dichtefunktionaltheorie besteht darin, zuerst die Dielektrizit?tskonstante des Moleküls zu berechnen und dann eine kleine Verschiebung der Atomposition entlang des Eigenmodus der molekularen Schwingung durchzuführen, um die ?nderung der Dielektrizit?tskonstante zu berechnen. Mit der fortschrittlichen Rechenleistung moderner Computer k?nnen wir jetzt leicht die Raman-Aktivit?t eines Moleküls berechnen, um zu bestimmen, welche Struktureinheiten in der experimentellen Zusammensetzung vorhanden sind. 5 zeigt eine charakteristische Struktureinheit, die in den Syntheseergebnissen von Kohlenstoffnanodr?hten durch Berechnung und Analyse der Raman-Spektroskopie enthalten ist.

Figure 5. Vergleich experimenteller Raman-Spektren von Kohlenstoffnanodr?hten mit der Theorie.

4. Funktionalisierung

Ein wichtiges Merkmal von Kohlenstoffnanomaterialien ist die F?higkeit, ihnen verschiedene funktionelle Gruppen hinzuzufügen. Solange einige kleine organische Moleküle in der Herstellungsphase der synthetischen Zubereitung ersetzt werden. Bei dem Kohlenstoffnanodrahtmaterial besteht ein einfaches Verfahren darin, das Wasserstoffatom (H) im Reaktanten durch ein Chloratom (Cl) oder das Kohlenstoffatom darin durch ein Stickstoffatom (N) und ein Boratom (B) zu ersetzen. Es kann funktionalisiert werden, um seine elektronischen Eigenschaften, Phononeneigenschaften, thermischen Eigenschaften oder mechanischen Eigenschaften zu ?ndern. Abbildung 6 zeigt mehrere typische Nanodrahtstrukturen, die durch Ersetzen von Kohlenwasserstoffgruppen durch Stickstoffatome gebildet werden [4].

Die Studie, Benzol durch einen anf?nglichen Reaktanten zu ersetzen, der ein Stickstoffatom enth?lt, um Nanodr?hte zu synthetisieren, wird in dem Artikel ver?ffentlicht [3]. Dieser Ersatz ist ein vollst?ndiger Ersatz anstelle von Dotierung, wobei Pyridin (Pyridin, C5NH5) anstelle des Benzolrings zur Teilnahme an der Reaktion verwendet wird. Der Reaktionsprozess ?hnelt immer noch der Verwendung von Hochdruck-Diamantballast, in den der sp2-Hybridkohlenstoff umgewandelt wird sp3 Hybridkohlenstoff Und vervollst?ndigen die Umwandlung kleiner Moleküle in eindimensionale Materialien.

Unter Verwendung des Prinzips der ersten Prinzipien k?nnen wir mit zwei Methoden untersuchen, bei denen das Kohlenstoffnanodrahtmaterial dieser Struktur synthetisiert wird. Eine besteht darin, die Charakterisierungseigenschaften aller Kandidatenstrukturen mit Experimenten wie Raman-Spektroskopie, XRD usw. zu vergleichen. Die anderen sind natürlich nach ihrer Energie sortiert. Bei der Berechnung der Energie von Kohlenstoffnanodr?hten müssen zun?chst deren Molekülstruktur und Periodizit?t optimiert werden. Dieses eindimensionale Material hat jedoch die Eigenschaft, dass es eine helikale Struktur aufweist, was einige Schwierigkeiten bei der Berechnung verursacht.

Wenn Sie die an beiden Enden abgeschnittenen Makromoleküle ersetzen, muss die Energieberechnung ungenau sein; Wenn Sie periodische Randbedingungen verwenden, wie bestimmen Sie den Schr?gungswinkel? Ein praktikabler Trick besteht darin, mehrere Schr?gungswinkel für die Berechnung auszuw?hlen [2]. Jeder Winkel ist anders, was bedeutet, dass die L?nge einer strukturellen Wiederholungsperiode entlang der eindimensionalen Struktur unterschiedlich ist. Nach der Berechnung einer Reihe unterschiedlicher Spiralwinkel wird die durchschnittliche Energie pro Struktureinheit (oder Durchschnitt pro Atom) erhalten und eine einfache quadratische Regressionsanpassung an dem Spiralwinkel durchgeführt. Die implizite Annahme der quadratischen Regressionsanpassung ist, dass die Wirkung zwischen zwei benachbarten Strukturelementen ungef?hr federartig ist. Obwohl dies keine vollst?ndig zutreffende Hypothese ist, kann sie dennoch die Hauptkraft zwischen benachbarten Einheiten erfassen, da in Kohlenstoff-Nanomaterialien kovalente Bindungskr?fte zwischen benachbarten Atomen und benachbarten Struktureinheiten verwendet werden. Das Hookesche Gesetz der Feder ist ungef?hr.

Figure 6. Vier typische Diamant-Kohlenstoff-Nanodr?hte, die mit Stickstoffatomen aus der Literatur verziert sind [4]

5. Mechanische St?rke

Kohlenstoff-Nanomaterialien haben viele wunderbare elektrische Eigenschaften, aber jetzt sind sie in ihrer mechanischen Leichtigkeit weit verbreitet: leichte Atome, starke Bindung. Kohlenstoff-Nanodr?hte haben die Grundeinheit von Diamanten. Werden sie auch genug Kraft haben? Einfach gesagt, ja. Wie in Abbildung 7 gezeigt, zeigen die Berechnungen, dass die Kohlenstoff-Nanodr?hte einen Elastizit?tsmodul zwischen 800 und 930 GPa aufweisen, was mit natürlichen Diamanten (1220 GPa) vergleichbar ist. Natürlich ist die mechanische Festigkeit dieses eindimensionalen Materials gerichtet. Dies ist sowohl ein Nachteil als auch ein Vorteil: Dieses Material konzentriert alle mechanischen Kr?fte in eine Richtung. Einige stellen sich sogar vor, dass dieser Kohlenstoff-Nanodraht zur Herstellung eines Kabels für einen Weltraumaufzug verwendet werden kann.

Abbildung 7. Elastizit?tsmodul von drei verschiedenen Arten von Diamant-Kohlenstoff-Nanodr?hten aus Referenz [5].

6. Schlussfolgerung

Diamant-Kohlenstoff-Nanodr?hte haben sich kürzlich der gro?en Familie von Kohlenstoff-Nanomaterialien mit einer strengen eindimensionalen Struktur und einer hohen mechanischen Festigkeit angeschlossen. Im Forschungsprozess kann mithilfe einer leistungsstarken Rechenleistung durch die Berechnung der ersten Prinzipien die m?gliche atomare Molekülstruktur von Kohlenstoffnanodr?hten untersucht, die Interpretation experimenteller Ergebnisse unterstützt und die experimentellen Ergebnisse eingehend analysiert werden . Kohlenstoffnanodr?hte sowie viele andere interessante neue Merkmale von Kohlenstoffnanostrukturen warten auf weitere theoretische Berechnungen und experimentelle Verifizierungen.

Verweise

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. Theorie Berechnung. 2018, 14, 1131 – 1140

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