ليس فقط إدخال الأنابيب النانوية الكربونية من الجرافين ، ولكن أيضًا المواد النانوية الكربونية الجديدة وآلياتها المساعدة！

ليس فقط إدخال الأنابيب النانوية الكربونية من الجرافين ، ولكن أيضًا المواد النانوية الكربونية الجديدة وآلياتها المساعدة！

تعتبر الفوليرين والأنابيب النانوية الكربونية (الأنابيب النانوية الكربونية والأنابيب النانوية الكربونية) والجرافين (الجرافين) من المواد النانوية الكربونية الشائعة في السنوات الأخيرة. وحصل خمسة علماء حاليًا على جائزة نوبل في هذا المجال. لماذا يتم البحث عن المواد النانوية الكربونية على نطاق واسع؟ على سبيل المثال ، الدراجات المصنوعة من الفولاذ المضاف إلى ألياف الكربون ليست سوى جزء صغير من وزن الدراجات العادية بسبب الكتلة الصغيرة جدًا لذرات الكربون والروابط الكيميائية بين ذرات الكربون أو بين ذرات الكربون وغيرها من الذرات. قوي جدا. لذلك ، فإن المواد الممزوجة بمقاييس الكربون النانوية عادة ما يكون لها خصائص ميكانيكية أفضل ووزن إجمالي أخف.

تستخدم المبادئ الأولى على نطاق واسع في الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد. لا يمكن فصل تصميم المواد وتنبؤات المواد وتجارب التفسير وغيرها من حساب المبادئ الأولى ، لأن المبدأ الأول يبدأ من معادلة شرودنغر ويتطلب القليل جدًا من المعلمات لحساب معظم خصائص المواد للمادة بدقة عالية ؛ بالإضافة إلى الافتراض الأديباتي ، يمكن استخدامه أيضًا لمحاكاة الديناميكيات الجزيئية. في مجال المواد النانوية الكربونية ، يتم استخدام حسابات المبادئ الأولى على نطاق واسع لأن الارتباط الإلكتروني لذرات الكربون ضعيف جدًا ، ويمكن أن تؤدي حسابات المبادئ الأولى في كثير من الأحيان إلى تنبؤات دقيقة للغاية.

ستقدم هذه المقالة بعض الأنواع الجديدة من المواد النانوية الكربونية التي تختلف قليلاً في طريقة دمج ذرات الكربون وترتيبها في الفوليرينات المعروفة ، والأنابيب النانوية الكربونية ، والجرافين. يمكن أن تنعكس هذه الاختلافات الدقيقة في خصائص المواد النهائية ولكن يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا. يمكن أن يترجم اختلاف بسيط في ترتيب ذرات الكربون إلى اختلافات كبيرة في خصائص المواد ، حيث تجذب المواد النانوية الكربونية العديد من علماء المواد والفيزيائيين والكيميائيين.

1. التهجين والأبعاد

هناك طريقتان رئيسيتان لتهجين ذرات الكربون إلى المواد النانوية الكربونية: sp2 أو sp3. في الوضع المختلط sp2 ، تشكل كل ذرة كربون ثلاث مدارات جزيئية موزعة بشكل موحد في مستوى بزاوية 120 درجة ، ومدار p خارج الطائرة ، والمعروف باسم مدار pz ؛ المواد النانوية الكربونية الأكثر شيوعًا وهو الجرافين الشهير. في الوضع المختلط sp3 ، تشكل كل ذرة كربونية أربعة مدارات جزيئية تتوزع بالتساوي في الفضاء ، وتشكل تقريبًا شكل رباعي الأسطح المنتظم من الجسم إلى القمم الأربعة. تمثل المادة الصلبة النموذجية ماسة ، ولكن الممثل النموذجي لعالم المواد النانوية هو Adamantane. Adamantane هو ممثل لعائلة كاملة من المواد ، وجزيء يحتوي على لب بنية الماس. إذا كانت تحتوي على نوى متعددة من هيكل الماس ، فستصبح هذه المجموعة من المواد Diamondoid. الشكل 1: المواد النانوية الكربونية النموذجية المصنفة وفقًا للتهجين (sp2 ، الصف الأول ؛ أو sp3 ، الصف الثاني) وأبعاد المواد.

ما سبق هو مجرد تهجين ، أو بالأحرى ، خيار سائد يمكن أن تتخذه ذرة كربون واحدة عند تشكيل مادة نانوية. عندما يتم دمج العديد من ذرات الكربون ، بالإضافة إلى التهجين ، يمكنهم اختيار التوسع في أي اتجاه. هل هي مادة ذات أبعاد صفرية أم مادة ذات خطوط عرض عالية؟ يسرد الرسم البياني أعلاه 1 مواد تمثيلية مختلفة وفقًا للتهجين والأبعاد.

تفتقر المواد أحادية البعد في الوضع الهجين sp3 إلى نموذجي. قد يفكر القراء الملمون بالبحوث ذات الصلة في البولي إيثيلين ، ولكن من حيث الجزيئات الفردية ، تفتقر جزيئات البولي إيثيلين إلى بعض قواعد التكوين بعيدة المدى ، أو الترتيب طويل المدى ، وتفتقر إلى الرغبة الشديدة في المواد النانوية الكربونية. القوة الميكانيكية.

2. أسلاك الكربون

بالنظر إلى المواد أدناه ، هل هي مثيرة للاهتمام قليلاً؟ هل هي صلبة أم جزيء ضخم؟

هذا النوع الجديد من المواد النانوية الكربونية عبارة عن مزيج sp3 هجين من ذرات الكربون وتركيبة أحادية البعد لذرات الكربون. في الوقت نفسه ، فإن المقاطع العرضية ليست مثل الجزيء العضوي الخطي التقليدي ، ولكن لها روابط كيميائية متعددة. مر عبر المقطع العرضي. وهذا يعني أن هذه المواد قريبة من عوازل الماس من حيث الخصائص الإلكترونية. وهي متفوقة جدًا في الخواص الميكانيكية للجزيئات العضوية الخطية التقليدية ، وقوتها الميكانيكية قريبة من الأنابيب النانوية الكربونية أو الجرافين. تؤكد الحسابات النظرية هذه [1] ، ويطلق عليها أسلاك نانوية كربونية ، أو أسلاك نانوية الماس.

هل هذه المادة الجديدة ذات الشكل الغريب مجرد توقع نظري ، أم يمكن إعدادها بالفعل؟ يبدو أن هذه المواد تحتاج إلى البدء من تركيب الجزيئات العضوية الصغيرة ، بعد عملية صغيرة إلى كبيرة ، ولكن تجريبيًا [2] يتم من خلال عملية من كبير إلى صغير ، بدءًا من الحالة الصلبة للبنزين ، بعد 25GPa عالي الضغط يصبح دور الرابطة الكيميائية الهجينة sp2 الأصلية رابطة كيميائية هجينة sp3 تحت ضغط مرتفع ، وبالتالي تحويل البلورة الجزيئية ثلاثية الأبعاد إلى مادة نانوية كربونية أحادية البعد.

وترد الأسلاك النانوية ذات البعد الواحد المرتبة بعيدة المدى في مثال الشكل 2 ؛ غالبًا ما يتم الحصول على الهياكل غير المنظمة في التجارب الفعلية. يوضح هذا الشكل بنية مضطربة ونتائج الفحص المجهري النفقي لبلورات الكربون النانوية التي تم الحصول عليها في التجارب.

3.تطبيق حسابات المبادئ الأولى

تعمل حسابات المبادئ الأولى بشكل جيد في التنبؤ بخصائص المواد. غالبًا ما يؤدي الجمع بين النتائج التجريبية إلى وجهات نظر أكثر تعمقًا حول تفسير النتائج التجريبية. في تركيب أسلاك الماس الكربوني الماسي ، بسبب الظروف التجريبية القاسية ، يجب تحقيق الضغط العالي 25GPa في خلية سندان الماس الصغيرة جدًا (DAC) ، لذا فإن التركيب التجريبي للمواد يفتقر إلى ترتيب بعيد المدى ، والنتائج التجريبية في للوهلة الأولى ، هناك الكثير من تدخل الاضطراب. يمكن أن تساعدنا الحسابات النظرية على تمييز ما إذا كانت التركيبة تحتوي على المواد الجديدة التي نتوقعها.

من الناحية النظرية ، أصبحنا هيكل أسلاك الكربون. بعد إضافة اضطراب معين عن طريق إدخال تناوب الروابط الكيميائية في Stone-Wales ، يمكننا استخدام الحساب النظري لإجراء الاسترخاء في الوضع الذري ثم الحصول على الهيكل الأمثل بأقل طاقة. يمكن للحسابات النظرية الدقيقة أن تعطي المسافة بين الذرات في المادة ، أو حساب وظيفة التوزيع الشعاعي في المادة. مقارنة النتائج النظرية بالنتائج التجريبية في الشكل 4. لا تؤكد فقط أن التركيبة التجريبية تتوافق مع الهيكل النظري ، ولكن أيضًا تميز أي الهياكل الذرية تتوافق مع ذروة دقة النتائج التجريبية.

الشكل 4: مقارنة بين دالة التوزيع الشعاعي (RDF) للأسلاك النانوية المركبة تجريبيا مع وظيفة التوزيع الشعاعي المحاكي لهياكل أسلاك الكربون النانوية المولدة نظريا.

الحساب الأساسي الأول يعطي الخصائص البصرية للمادة. غالبًا ما يكون التحليل الطيفي في رامان وسيلة موثوقة لتوصيف التركيبات التجريبية لأنه ليس من الضروري تدمير التكوين التجريبي ، ويمكن أن تخبرنا القمم الطيفية عن أنماط الاهتزاز الجزيئي التي لها نشاط رامان. تتمثل إحدى طرق حساب طيف رامان باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية في حساب ثابت العزل الكهربائي للجزيء ، ثم إجراء إزاحة صغيرة لموضع الذرة على طول الوضع الذاتي للاهتزاز الجزيئي لحساب تغير ثابت العزل الكهربائي. مع قوة الحوسبة المتقدمة لأجهزة الكمبيوتر الحديثة ، يمكننا الآن بسهولة حساب نشاط رامان للجزيء لتحديد الوحدات الهيكلية الموجودة في التكوين التجريبي. يوضح الشكل 5 وحدة هيكلية مميزة مدرجة في نتائج تركيب أسلاك الكربون النانوية عن طريق حساب وتحليل مطيافية رامان.

الشكل 5. مقارنة أطياف رامان التجريبية من أسلاك الكربون مع النظرية.

4. الوظيفية

من السمات المهمة للمواد النانوية الكربونية القدرة على إضافة مجموعات وظيفية مختلفة إليها. طالما يتم استبدال بعض الجزيئات العضوية الصغيرة في مرحلة التحضير من المستحضر الاصطناعي. في مادة أسلاك الكربون النانوية ، تتضمن طريقة بسيطة استبدال ذرة الهيدروجين (H) في المادة المتفاعلة بذرة الكلور (Cl) ، أو استبدال ذرة الكربون فيها بذرة النيتروجين (N) وذرة البورون (B). يمكن استخدامه لتغيير خصائصه الإلكترونية أو خصائص الفونون أو الخصائص الحرارية أو الخصائص الميكانيكية. يوضح الشكل 6 العديد من هياكل الأسلاك النانوية النموذجية التي تشكلت عن طريق استبدال مجموعات الهيدروكربونات بذرات النيتروجين [4].

تم نشر دراسة استبدال البنزين بمفاعل أولي يحتوي على ذرة نيتروجين لتجميع الأسلاك النانوية في المقالة [3]. هذا الاستبدال هو بديل كامل بدلاً من المنشطات ، باستخدام البيريدين (البيريدين ، C5NH5) بدلاً من حلقة البنزين للمشاركة في التفاعل ، لا تزال عملية التفاعل مشابهة لاستخدام الصابورة الماسية ذات الضغط العالي ، يتم تحويل الكربون الهجين SP2 إلى sp3 الكربون الهجين واستكمال تحويل الجزيئات الصغيرة إلى مواد أحادية البعد.

باستخدام مبدأ المبادئ الأولى ، يمكننا الدراسة بطريقتين ، يتم من خلالهما تصنيع مادة أسلاك الكربون الكربونية لهذا الهيكل. الأول هو مقارنة خصائص توصيف جميع الهياكل المرشحة بالتجارب ، مثل مطيافية رامان ، XRD ، وما إلى ذلك. يتم فرز الآخر بشكل طبيعي حسب طاقتهم. في حساب طاقة أسلاك الكربون ، يجب تحسين بنيتها الجزيئية وتواترها أولاً. ومع ذلك ، فإن هذه المادة أحادية البعد لها خاصية أن لها هيكل حلزوني ، مما يخلق بعض الصعوبات في الحساب.

إذا استبدلت الجزيئات الكبيرة التي تم اقتطاعها من كلا الطرفين ، فيجب أن يكون حساب الطاقة غير دقيق ؛ إذا كنت تستخدم شروط الحدود الدورية ، فكيف تحدد زاوية اللولب؟ الحيلة الممكنة هي اختيار عدة زوايا حلزونية لحساب [2]. تختلف كل زاوية ، مما يعني أن طول فترة التكرار الهيكلي يختلف على طول الهيكل أحادي البعد. بعد حساب عدد من زوايا اللولب المختلفة ، يتم الحصول على متوسط الطاقة لكل وحدة هيكلية (أو متوسط لكل ذرة) ، ويتم إجراء ملاءمة انحدار تربيعية بسيطة على زاوية اللولب. الافتراض الضمني لملاءمة الانحدار التربيعي هو أن التأثير بين عنصرين بنيويين متجاورين يشبه الزنبرك تقريبًا. على الرغم من أن هذه ليست فرضية صحيحة تمامًا ، إلا أنه لا يزال بإمكانها التقاط القوة الرئيسية بين الوحدات المجاورة ، لأنه في المواد النانوية الكربونية ، يتم استخدام قوى الرابطة التساهمية بين الذرات المجاورة والوحدات الهيكلية المجاورة. قانون الربيع هو تقريبي.

الشكل 6. أربعة أسلاك نانوية كربونية نموذجية من الماس مزينة بذرات النيتروجين من الأدبيات

5. القوة الميكانيكية

تتمتع المواد النانوية الكربونية بالكثير من الخصائص الكهربائية الرائعة ، لكنها تُستخدم الآن على نطاق واسع في خفتها الميكانيكية: ذرات الضوء ، والترابط القوي. تحتوي الأسلاك النانوية الكربونية على الوحدة الأساسية للماس. هل سيكون لديهم أيضا ما يكفي من القوة؟ ببساطة ، نعم. كما هو مبين في الشكل 7 ، تظهر الحسابات أن أسلاك الكربون النانوية لها معامل يونغ بين 800 و 930 جيجا باسكال ، وهو ما يمكن مقارنته بالماس الطبيعي (1220 جيجا باسكال). بالطبع ، القوة الميكانيكية لهذه المادة أحادية البعد اتجاهية. هذا عيب وميزة في نفس الوقت: تركز هذه المادة جميع القوى الميكانيكية في اتجاه واحد. حتى أن البعض يتخيل أنه يمكن استخدام هذه الأسلاك النانوية الكربونية لصنع كابل لمصعد فضائي.

الشكل 7. معامل يونغ لثلاثة أنواع مختلفة من أسلاك الكربون النانوية الماسية من المرجع [5].

6.الاستنتاج

انضمت أسلاك الماس الكربونية الماسية مؤخرًا إلى عائلة كبيرة من المواد النانوية الكربونية ذات هيكل أحادي البعد وقوة ميكانيكية عالية. في عملية البحث ، بمساعدة قوة حوسبة قوية ، من خلال حساب المبادئ الأولى ، يمكن دراسة البنية الجزيئية الذرية المحتملة لشبكة أسلاك الكربون ، ويمكن مساعدة تفسير النتائج التجريبية ، ويمكن تحليل النتائج التجريبية بعمق . تنتظر أسلاك الكربون النانوية ، بالإضافة إلى العديد من الميزات الجديدة الأخرى المثيرة للاهتمام للبنية النانوية الكربونية ، المزيد من الحسابات النظرية والتحقق التجريبي لاستكشافها.

المراجع

1.فيتزجيبونس ، TC ؛ جوثري ، م. شو ، إ. كريسبي ، VH ؛ دافيدوفسكي ، SK ؛ كودي ، جي دي ؛ عالم ، ن. Badding ، JV Mater. 2014 ، 14 ، 43-47

2.Xu، E.-s .؛ لاميرت ، بي. كريسبي ، في إتش نانو ليت. 2015 ، 15 ، 5124-5130

3 - لي ، العاشر ؛ وانغ ، تي. دوان ، ص. بالديني ، م. هوانغ ، H.-T. ؛ تشين ، ب. Juhl ، SJ ؛ كوبلينجر ، د. كريسبي ، VH ؛ شميت رور ، ك. هوفمان ، ر. عالم ، ن. جوثري ، م. تشانغ ، العاشر ؛ Badding ، JV Am. تشيم. شركة 2018 ، 140 ، 4969 - 4972

4. تشين ، ب. وانغ ، تي. كريسبي ، VH ؛ Badding ، JV ؛ هوفمان ، ر.كيم. نظرية الحساب. 2018 ، 14 ، 1131 - 1140

5.Zhan، H. تشانغ ، جي ؛ تان ، VBC ؛ تشنغ ، واي. بيل ، جي إم ؛ تشانغ ، واي دبليو. Gu ، Y. Nanoscale 2016 ، 8 ، 11177 - 11184