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

Fulleren, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs, Kohlenstoffnanoröhren) 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 Fahrräder 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 gewöhnlicher Fahrräder 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 Schrödinger-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 häufig Berechnungen nach dem ersten Prinzip verwendet, da die elektronische Korrelation von Kohlenstoffatomen sehr schwach ist und die Berechnungen nach dem ersten Prinzip häufig sehr genaue Vorhersagen treffen können.

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

1. Hybridisierung und Dimension

Es gibt zwei Möglichkeiten, Kohlenstoffatome mit Kohlenstoffnanomaterialien zu hybridisieren: sp2 oder sp3. Im sp2-Hybridmodus bildet jedes Kohlenstoffatom drei Molekülorbitale, die gleichmäßig in einer Ebene in einem Winkel von 120 Grad verteilt sind, und eine p-Umlaufbahn außerhalb 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 gleichmäßig im Raum verteilt sind und ungefähr die Form eines regelmäßigen Tetraeders vom Körper 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 enthält einen Kern der Diamantstruktur. Wenn es mehrere Kerne mit Diamantstruktur enthält, wird diese Materialfamilie zu Diamondoid. Abbildung 1: Typische Kohlenstoffnanomaterialien, klassifiziert nach Hybridisierung (sp2, erste Reihe; oder sp3, zweite Reihe) und Materialabmessungen.

Abbildung 1

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

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

2. Kohlenstoffnanodrähte

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

Kohlenstoffnanodrähte

Diese neue Art von Kohlenstoffnanomaterial ist sowohl ein sp3-Hybrid von Kohlenstoffatomen als auch eine eindimensionale Zusammensetzung von Kohlenstoffatomen. Gleichzeitig ähneln ihre Querschnitte nicht einem herkömmlichen 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 herkömmlichen linearen organischen Molekülen in ihren mechanischen Eigenschaften weit überlegen, und ihre mechanische Festigkeit liegt nahe an der von Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen. Theoretische Berechnungen bestätigen diese [1], sie werden Kohlenstoffnanodrähte oder Diamantnanofäden genannt.

Ist dieses neue Material mit einer seltsamen Form nur eine theoretische Erwartung oder kann es tatsächlich hergestellt werden? Es scheint, dass solche Materialien nach einem kleinen bis großen Prozess von der Synthese kleiner organischer Moleküle ausgehen müssen, aber experimentell [2] durch einen Prozess von groß 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 Nanodrähte sind im Beispiel von Abbildung 2 dargestellt. In tatsächlichen Experimenten können häufig ungeordnete Strukturen erhalten werden. Diese Figur zeigt eine ungeordnete Struktur und die Ergebnisse der Rastertunnelmikroskopie von Kohlenstoffnanodrahtkristallen, die in Experimenten erhalten wurden.Langreichweitig geordnete eindimensionale Nanodrähte

3. Anwendung von First-Principles-Berechnungen

First-Principles-Berechnungen eignen sich gut zur Vorhersage der Materialeigenschaften. Die Kombination experimenteller Ergebnisse führt häufig zu tieferen Perspektiven für die Interpretation experimenteller Ergebnisse. Bei der Synthese von Diamant-Kohlenstoff-Nanodrähten 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 großer Reichweite vorliegen Auf den ersten Blick gibt es viele Störungen. Die theoretischen Berechnungen können uns helfen, zu unterscheiden, ob die Zusammensetzung die neuen Materialien enthält, 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 Störung hinzugefügt haben, können 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 können 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 bestätigt nicht nur, dass die experimentelle Zusammensetzung mit der theoretischen Struktur übereinstimmt, sondern erkennt auch, welche Atomstrukturen der Spitzenauflösung der experimentellen Ergebnisse entsprechen.

Figure 4. Vergleich der Radialverteilungsfunktion (RDF) experimentell synthetisierter Nanodrähte mit der simulierten Radialverteilungsfunktion theoretisch erzeugter Kohlenstoffnanodrahtstrukturen.Abbildung 4. Vergleich der radialen Verteilungsfunktion

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

Figure 5. Vergleich experimenteller Raman-Spektren von Kohlenstoffnanodrähten mit der Theorie.Abbildung 5

4. Funktionalisierung

Ein wichtiges Merkmal von Kohlenstoffnanomaterialien ist die Fähigkeit, 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 ändern. Abbildung 6 zeigt mehrere typische Nanodrahtstrukturen, die durch Ersetzen von Kohlenwasserstoffgruppen durch Stickstoffatome gebildet werden [4].

Die Studie, Benzol durch einen anfänglichen Reaktanten zu ersetzen, der ein Stickstoffatom enthält, um Nanodrähte zu synthetisieren, wird in dem Artikel veröffentlicht [3]. Dieser Ersatz ist ein vollständiger Ersatz anstelle von Dotierung, wobei Pyridin (Pyridin, C5NH5) anstelle des Benzolrings zur Teilnahme an der Reaktion verwendet wird. Der Reaktionsprozess ähnelt immer noch der Verwendung von Hochdruck-Diamantballast, in den der sp2-Hybridkohlenstoff umgewandelt wird sp3 Hybridkohlenstoff Und vervollständigen die Umwandlung kleiner Moleküle in eindimensionale Materialien.

Unter Verwendung des Prinzips der ersten Prinzipien können 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 Kohlenstoffnanodrähten müssen zunächst deren Molekülstruktur und Periodizität 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 Makromoleküle ersetzen, die an beiden Enden abgeschnitten sind, muss die Energieberechnung ungenau sein. Wie bestimmen Sie den Helixwinkel, wenn Sie periodische Randbedingungen verwenden? Ein praktikabler Trick besteht darin, mehrere Spiralwinkel für die Berechnung auszuwählen [2]. Jeder Winkel ist anders, was bedeutet, dass die Länge einer strukturellen Wiederholungsperiode entlang der eindimensionalen Struktur unterschiedlich ist. Nach der Berechnung einer Anzahl verschiedener Helixwinkel wird die durchschnittliche Energie pro Struktureinheit (oder Durchschnitt pro Atom) erhalten und eine einfache quadratische Regressionsanpassung für den Helixwinkel durchgeführt. Die implizite Annahme einer quadratischen Regressionsanpassung ist, dass der Effekt zwischen zwei benachbarten Strukturelementen ungefähr federartig ist. Obwohl dies keine vollständig zutreffende Hypothese ist, kann sie dennoch die Hauptkraft zwischen benachbarten Einheiten erfassen, da in Kohlenstoffnanomaterialien kovalente Bindungskräfte zwischen benachbarten Atomen und benachbarten Struktureinheiten verwendet werden. Das Hookesche Gesetz des Frühlings ist ungefähr.

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

Figure 6. Vier typische Diamant-Kohlenstoff-Nanodrähte, die mit Stickstoffatomen aus der Literatur verziert sind

5. Mechanische Stärke

Kohlenstoffnanomaterialien haben viele wunderbare elektrische Eigenschaften, aber jetzt sind sie in ihrer mechanischen Leichtigkeit weit verbreitet: leichte Atome, starke Bindung. Kohlenstoffnanodrähte haben die Grundeinheit Diamanten. Werden sie auch genug Kraft haben? Einfach gesagt, ja. Wie in Abbildung 7 gezeigt, zeigen die Berechnungen, dass die Kohlenstoffnanodrähte einen Elastizitätsmodul zwischen 800 und 930 GPa aufweisen, der 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 Festigkeiten in einer Richtung. Einige stellen sich sogar vor, dass aus diesem Kohlenstoffnanodraht ein Kabel für einen Weltraumaufzug hergestellt werden kann.

Figure 7. Elastizitätsmodul von drei verschiedenen Arten von Diamant-Kohlenstoff-Nanodrähten aus Lit. [5].Figure 7. Young-Modul von drei verschiedenen Arten von Diamant-Kohlenstoff-Nanodrähten aus Referenz

6. Schlussfolgerung

Diamant-Kohlenstoff-Nanodrähte haben sich kürzlich der großen 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 mögliche atomare Molekülstruktur von Kohlenstoffnanodrähten untersucht, die Interpretation experimenteller Ergebnisse unterstützt und die experimentellen Ergebnisse eingehend analysiert werden . Kohlenstoffnanodrähte 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 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

 

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