{"id":2907,"date":"2018-11-19T08:19:44","date_gmt":"2018-11-19T08:19:44","guid":{"rendered":"https:\/\/www.mcctcarbide.com\/?p=2907"},"modified":"2020-05-04T13:31:36","modified_gmt":"2020-05-04T13:31:36","slug":"not-only-introduction-of-graphene-carbon-nanotubes-comes-but-also-new-carbon-nanomaterials-and-their-auxiliary-mechanisms%ef%bc%81","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/no-solo-viene-la-introduccion-de-nanotubos-de-grafeno-carbono-sino-de-nuevos-nanomateriales-de-carbono-y-sus-mecanismos-auxiliares%ef%bc%81\/","title":{"rendered":"No solo viene la introducci\u00f3n de nanotubos de carbono de grafeno, sino tambi\u00e9n nuevos nanomateriales de carbono y sus mecanismos auxiliares\uff01"},"content":{"rendered":"
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No solo viene la introducci\u00f3n de nanotubos de carbono de grafeno, sino tambi\u00e9n nuevos nanomateriales de carbono y sus mecanismos auxiliares\uff01<\/h5>\n

El fullereno, los nanotubos de carbono (CNT, nanotubos de carbono) y los grafeno (grafeno) son nanomateriales de carbono populares en los \u00faltimos a\u00f1os. Actualmente, cinco cient\u00edficos han ganado el Premio Nobel en este campo. \u00bfPor qu\u00e9 se buscan ampliamente los nanomateriales de carbono? Por ejemplo, las bicicletas hechas de acero con fibra de carbono agregada son solo una fracci\u00f3n del peso de las bicicletas comunes debido a la muy peque\u00f1a masa de \u00e1tomos de carbono y los enlaces qu\u00edmicos entre los \u00e1tomos de carbono o entre los \u00e1tomos de carbono y otros \u00e1tomos. Muy fuerte. Por lo tanto, los materiales mezclados con nan\u00f3metros de carbono generalmente tienen mejores propiedades mec\u00e1nicas y un peso total m\u00e1s ligero.<\/p>\n

Los primeros principios son ampliamente utilizados en f\u00edsica, qu\u00edmica y ciencia de materiales. El dise\u00f1o del material, la predicci\u00f3n del material, los experimentos de interpretaci\u00f3n, etc. son inseparables del c\u00e1lculo de los primeros principios, porque el primer principio parte de la ecuaci\u00f3n de Schr\u00f6dinger y requiere muy pocos par\u00e1metros para calcular la mayor\u00eda de las propiedades del material con mucha precisi\u00f3n; Adem\u00e1s, combinado con el supuesto adiab\u00e1tico, tambi\u00e9n se puede utilizar para simular la din\u00e1mica molecular. En el campo de los nanomateriales de carbono, los c\u00e1lculos de los primeros principios se usan ampliamente porque la correlaci\u00f3n electr\u00f3nica de los \u00e1tomos de carbono es muy d\u00e9bil, y los c\u00e1lculos de los primeros principios a menudo pueden hacer predicciones muy precisas.<\/p>\n

Este art\u00edculo presentar\u00e1 algunos tipos nuevos de nanomateriales de carbono que difieren ligeramente en la forma en que los \u00e1tomos de carbono se combinan y organizan en fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno conocidos. Estas diferencias sutiles pueden reflejarse en las propiedades finales del material, pero pueden variar mucho. Una peque\u00f1a diferencia en la disposici\u00f3n de los \u00e1tomos de carbono puede traducirse en grandes diferencias en las propiedades del material, que es donde los nanomateriales de carbono atraen a muchos cient\u00edficos, f\u00edsicos y qu\u00edmicos de materiales.<\/p>\n

1. Hibridaci\u00f3n y dimensi\u00f3n<\/h6>\n

Hay dos formas principales de hibridar \u00e1tomos de carbono con nanomateriales de carbono: sp2 o sp3. En el modo h\u00edbrido sp2, cada \u00e1tomo de carbono forma tres orbitales moleculares distribuidos uniformemente en un plano en un \u00e1ngulo de 120 grados, y una \u00f3rbita p fuera del plano, com\u00fanmente conocida como orbital pz; Los nanomateriales de carbono m\u00e1s t\u00edpicos Es un famoso grafeno. En el modo h\u00edbrido sp3, cada \u00e1tomo de carbono forma cuatro orbitales moleculares que se distribuyen uniformemente en el espacio, formando aproximadamente la forma de un tetraedro regular desde el cuerpo a los cuatro v\u00e9rtices. Un material s\u00f3lido t\u00edpico representa un diamante, pero un representante t\u00edpico del mundo de los nanomateriales es Adamantane. Adamantane es un representante de toda una familia de materiales, y una mol\u00e9cula contiene un n\u00facleo de la estructura del diamante. Si contiene m\u00faltiples n\u00facleos de estructura de diamante, entonces esta familia de materiales se convertir\u00e1 en Diamondoide. Figura 1: Nanomateriales de carbono t\u00edpicos clasificados seg\u00fan la hibridaci\u00f3n (sp2, primera fila; o sp3, segunda fila) y las dimensiones del material.<\/p>\n

\"Figura<\/p>\n

Lo anterior es solo hibridaci\u00f3n, o m\u00e1s bien, una elecci\u00f3n convencional que puede hacer un solo \u00e1tomo de carbono al formar un nanomaterial. Cuando se combinan muchos \u00e1tomos de carbono, adem\u00e1s de la hibridaci\u00f3n, pueden elegir expandirse en cualquier direcci\u00f3n. \u00bfEs un material de dimensi\u00f3n cero o un material de alta latitud? El cuadro 1 anterior enumera varios materiales representativos seg\u00fan la hibridaci\u00f3n y la dimensi\u00f3n.<\/p>\n

Los materiales unidimensionales en modo h\u00edbrido sp3 carecen de un t\u00edpico. Los lectores familiarizados con investigaciones relevantes pueden pensar en el polietileno, pero en t\u00e9rminos de mol\u00e9culas individuales, las mol\u00e9culas de polietileno carecen de algunas reglas de configuraci\u00f3n de largo alcance, o de un orden de largo alcance, y carecen de los antojos generalmente en los nanomateriales de carbono. Fuerza mec\u00e1nica.<\/p>\n

2. nanocables de carbono<\/h6>\n

Mirando el material a continuaci\u00f3n, \u00bfes un poco interesante? \u00bfEs s\u00f3lido o macromol\u00e9cula?<\/p>\n

\"nanocables<\/p>\n

Este nuevo tipo de nanomaterial de carbono es tanto un h\u00edbrido sp3 de \u00e1tomos de carbono como una composici\u00f3n unidimensional de \u00e1tomos de carbono. Al mismo tiempo, sus secciones transversales no son como una mol\u00e9cula org\u00e1nica lineal tradicional, sino que tienen m\u00faltiples enlaces qu\u00edmicos. Pase a trav\u00e9s de la secci\u00f3n transversal. Esto significa que estos materiales est\u00e1n cerca de los aisladores de diamante en t\u00e9rminos de propiedades electr\u00f3nicas. Son muy superiores en propiedades mec\u00e1nicas a las mol\u00e9culas org\u00e1nicas lineales tradicionales, y su resistencia mec\u00e1nica es cercana a la de los nanotubos de carbono o grafeno. Los c\u00e1lculos te\u00f3ricos confirman estos [1], se denominan nanocables de carbono o nanohilos de diamante.<\/p>\n

\u00bfEs este nuevo material con una forma extra\u00f1a solo una expectativa te\u00f3rica, o se puede preparar realmente? Parece que tales materiales necesitan comenzar desde la s\u00edntesis de mol\u00e9culas org\u00e1nicas peque\u00f1as, despu\u00e9s de un proceso peque\u00f1o a grande, pero experimentalmente [2] es a trav\u00e9s de un proceso de grande a peque\u00f1o, comenzando desde el estado s\u00f3lido del benceno, despu\u00e9s de 25GPa de alta presi\u00f3n. El papel del enlace qu\u00edmico h\u00edbrido sp2 original se convierte en un enlace qu\u00edmico h\u00edbrido sp3 a alta presi\u00f3n, transformando as\u00ed el cristal molecular tridimensional en un nanomaterial de carbono unidimensional.<\/p>\n

Los nanocables unidimensionales ordenados de largo alcance se muestran en el ejemplo de la Figura 2; estructuras no ordenadas a menudo se pueden obtener en experimentos reales. Esta figura muestra una estructura desordenada y los resultados de la microscop\u00eda de t\u00fanel de barrido de cristales de nanocables de carbono obtenidos en experimentos.\"Nanocables<\/p>\n

3. Aplicaci\u00f3n de c\u00e1lculos de primeros principios<\/h6>\n

Los c\u00e1lculos de primeros principios funcionan bien para predecir las propiedades de los materiales. La combinaci\u00f3n de resultados experimentales a menudo conduce a perspectivas m\u00e1s profundas sobre la interpretaci\u00f3n de los resultados experimentales. En la s\u00edntesis de nanocables de carbono de diamante, debido a las duras condiciones experimentales, la alta presi\u00f3n de 25GPa debe realizarse en una c\u00e9lula de yunque de diamante (DAC) muy peque\u00f1a, por lo que la s\u00edntesis experimental de materiales carece de un orden de largo alcance, resultados experimentales. A primera vista, hay mucha interferencia de desorden. Los c\u00e1lculos te\u00f3ricos pueden ayudarnos a distinguir si la composici\u00f3n contiene los nuevos materiales que esperamos.<\/p>\n

En teor\u00eda, nos hemos convertido en una estructura de nanocables de carbono. Despu\u00e9s de agregar un cierto trastorno al introducir la rotaci\u00f3n del enlace qu\u00edmico Stone-Wales, podemos usar el c\u00e1lculo te\u00f3rico para relajar la posici\u00f3n at\u00f3mica y luego obtener la estructura \u00f3ptima con la energ\u00eda m\u00e1s baja. Los c\u00e1lculos te\u00f3ricos precisos pueden dar la distancia entre los \u00e1tomos en un material, o calcular la funci\u00f3n de distribuci\u00f3n radial en un material. Comparando los resultados te\u00f3ricos con los resultados experimentales en la Figura 4. No solo confirma que la composici\u00f3n experimental est\u00e1 de acuerdo con la estructura te\u00f3rica, sino que tambi\u00e9n discierne qu\u00e9 estructuras at\u00f3micas corresponden a la resoluci\u00f3n m\u00e1xima de los resultados experimentales.<\/p>\n

Figura 4. Comparaci\u00f3n de la funci\u00f3n de distribuci\u00f3n radial (RDF) de nanocables sintetizados experimentalmente con la funci\u00f3n de distribuci\u00f3n radial simulada de estructuras de nanocables de carbono generadas te\u00f3ricamente.\"Figura<\/p>\n

El primer c\u00e1lculo del principio da las propiedades \u00f3pticas del material. La espectroscop\u00eda Raman es a menudo un medio confiable para caracterizar composiciones experimentales porque no tiene que destruir la composici\u00f3n experimental, y los picos espectrales pueden decirnos qu\u00e9 modos de vibraci\u00f3n molecular tienen actividad Raman. Un m\u00e9todo para calcular el espectro de Raman mediante la teor\u00eda funcional de la densidad es calcular primero la constante diel\u00e9ctrica de la mol\u00e9cula y luego realizar un peque\u00f1o desplazamiento de la posici\u00f3n del \u00e1tomo a lo largo del modo propio de la vibraci\u00f3n molecular para calcular el cambio de la constante diel\u00e9ctrica. Con el poder inform\u00e1tico avanzado de las computadoras modernas, ahora podemos calcular f\u00e1cilmente la actividad Raman de una mol\u00e9cula para determinar qu\u00e9 unidades estructurales est\u00e1n presentes en la composici\u00f3n experimental. La figura 5 muestra una unidad estructural caracter\u00edstica incluida en los resultados de s\u00edntesis de nanocables de carbono mediante c\u00e1lculo y an\u00e1lisis de espectroscop\u00eda Raman.<\/p>\n

Figura 5. Comparaci\u00f3n de los espectros experimentales Raman de nanocables de carbono con la teor\u00eda.\"Figura<\/p>\n

4. Funcionalizaci\u00f3n<\/h6>\n

Una caracter\u00edstica importante de los nanomateriales de carbono es la capacidad de agregarles varios grupos funcionales. Siempre que algunas peque\u00f1as mol\u00e9culas org\u00e1nicas se reemplacen en la etapa de preparaci\u00f3n de la preparaci\u00f3n sint\u00e9tica. En el material de nanocables de carbono, un m\u00e9todo simple implica reemplazar el \u00e1tomo de hidr\u00f3geno (H) en el reactivo con un \u00e1tomo de cloro (Cl), o reemplazar el \u00e1tomo de carbono con un \u00e1tomo de nitr\u00f3geno (N) y un \u00e1tomo de boro (B). Se puede funcionalizar para cambiar sus propiedades electr\u00f3nicas, propiedades fon\u00f3nicas, propiedades t\u00e9rmicas o propiedades mec\u00e1nicas. La Figura 6 muestra varias estructuras t\u00edpicas de nanocables formadas mediante la sustituci\u00f3n de grupos de hidrocarburos con \u00e1tomos de nitr\u00f3geno [4].<\/p>\n

El estudio de reemplazar el benceno con un reactivo inicial que contiene un \u00e1tomo de nitr\u00f3geno para sintetizar nanocables se publica en el art\u00edculo [3]. Este reemplazo es un reemplazo completo en lugar de dopaje, usando piridina (piridina, C5NH5) en lugar del anillo de benceno para participar en la reacci\u00f3n, el proceso de reacci\u00f3n sigue siendo similar al uso de lastre de diamante a alta presi\u00f3n, el carbono h\u00edbrido sp2 se convierte en carbono h\u00edbrido sp3 Y completa la transformaci\u00f3n de mol\u00e9culas peque\u00f1as en materiales unidimensionales.<\/p>\n

Utilizando el principio de los primeros principios, podemos estudiar mediante dos m\u00e9todos, en los que se sintetiza el material de nanocables de carbono de esa estructura. Una es comparar las propiedades de caracterizaci\u00f3n de todas las estructuras candidatas con experimentos, como la espectroscop\u00eda Raman, XRD, etc. El otro est\u00e1 naturalmente ordenado por su energ\u00eda. Al calcular la energ\u00eda de los nanocables de carbono, primero se debe optimizar su estructura molecular y periodicidad. Sin embargo, este material unidimensional tiene la caracter\u00edstica de tener una estructura helicoidal, lo que crea algunas dificultades en el c\u00e1lculo.<\/p>\n

Si reemplaza las macromol\u00e9culas truncadas en ambos extremos, el c\u00e1lculo de energ\u00eda debe ser inexacto; si usa condiciones de contorno peri\u00f3dicas, \u00bfc\u00f3mo determina el \u00e1ngulo de h\u00e9lice? Un truco factible es seleccionar varios \u00e1ngulos de h\u00e9lice para el c\u00e1lculo [2]. Cada \u00e1ngulo es diferente, lo que significa que la duraci\u00f3n de un per\u00edodo de repetici\u00f3n estructural es diferente a lo largo de la estructura unidimensional. Despu\u00e9s de calcular varios \u00e1ngulos de h\u00e9lice diferentes, se obtiene la energ\u00eda promedio por unidad estructural (o promedio por \u00e1tomo) y se realiza un ajuste de regresi\u00f3n cuadr\u00e1tica simple en el \u00e1ngulo de h\u00e9lice. La suposici\u00f3n impl\u00edcita de ajuste de regresi\u00f3n cuadr\u00e1tica es que el efecto entre dos elementos estructurales adyacentes es aproximadamente similar a un resorte. Aunque esta no es una hip\u00f3tesis completamente cierta, a\u00fan puede capturar la fuerza principal entre unidades adyacentes, porque en los nanomateriales de carbono, se utilizan fuerzas de enlace covalente entre \u00e1tomos adyacentes y unidades estructurales adyacentes. La ley de la primavera de Hooke es aproximada.<\/p>\n

Figura 6. Cuatro nanocables de carbono de diamante t\u00edpicos decorados con \u00e1tomos de nitr\u00f3geno de la literatura [4]<\/p>\n

\"Figura<\/p>\n

5 fuerza mec\u00e1nica<\/h6>\n

Los nanomateriales de carbono tienen muchas propiedades el\u00e9ctricas maravillosas, pero ahora son ampliamente utilizados en su ligereza mec\u00e1nica: \u00e1tomos ligeros, enlaces fuertes. Los nanocables de carbono tienen la unidad b\u00e1sica de los diamantes. \u00bfTendr\u00e1n tambi\u00e9n suficiente fuerza? En pocas palabras, s\u00ed. Como se muestra en la Figura 7, los c\u00e1lculos muestran que los nanocables de carbono tienen un m\u00f3dulo de Young entre 800 y 930 GPa, que es comparable a los diamantes naturales (1220 GPa). Por supuesto, la resistencia mec\u00e1nica de este material unidimensional es direccional. Esto es tanto una desventaja como una ventaja: este material concentra todas las fuerzas mec\u00e1nicas en una direcci\u00f3n. Algunos incluso imaginan que este nanocable de carbono se puede usar para hacer un cable para un elevador espacial.<\/p>\n

Figura 7. M\u00f3dulo de Young de tres tipos diferentes de nanocables de carbono de diamante de la referencia [5].\"Figura<\/p>\n

6. Conclusi\u00f3n<\/p>\n

Los nanocables de carbono de diamante se han unido recientemente a la gran familia de nanomateriales de carbono con una estructura unidimensional estricta y alta resistencia mec\u00e1nica. En el proceso de investigaci\u00f3n, con la ayuda de una poderosa potencia inform\u00e1tica, a trav\u00e9s del c\u00e1lculo de los primeros principios, se puede estudiar la posible estructura molecular at\u00f3mica de nanocables de carbono, y se puede ayudar a la interpretaci\u00f3n de los resultados experimentales, y los resultados experimentales se pueden analizar en profundidad. . Los nanocables de carbono, as\u00ed como muchas otras caracter\u00edsticas nuevas e interesantes de las nanoestructuras de carbono, esperan m\u00e1s c\u00e1lculos te\u00f3ricos y verificaci\u00f3n experimental para explorar.<\/p>\n

Referencias<\/h6>\n

1.Fitzgibbons, TC; Guthrie, M .; Xu, E.-s .; Crespi, VH; Davidowski, SK; Cody, GD; Alem, N .; Badding, JV Mater. 2014, 14, 43-47<\/p>\n

2.Xu, E.-s .; Lammert, PE; Crespi, VH Nano Lett. 2015, 15, 5124 - 5130<\/p>\n

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<\/p>\n

4.Chen, B .; Wang, T .; Crespi, VH; Badding, JV; Hoffmann, R. Chem. Teor\u00eda de la Computaci\u00f3n. 2018, 14, 1131 - 1140<\/p>\n

5. Zhan, H .; Zhang, G .; Tan, VBC; Cheng, Y .; Bell, JM; Zhang, Y.-W .; Gu, Y. Nanoscale 2016, 8, 11177 - 11184<\/p>\n

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Not only introduction of graphene carbon nanotubes comes, but also new carbon nanomaterials and their auxiliary mechanisms\uff01 Fullerene, carbon nanotubes (CNTs, Carbon Nanotubes) and graphenes (Graphene) are popular carbon nanomaterials in recent years. Currently, five scientists have won the Nobel Prize in this field. Why are carbon nanomaterials widely sought after? For example, bicycles made…<\/p>","protected":false},"author":2,"featured_media":2915,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[92],"tags":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2907"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2907"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2907\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2907"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2907"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2907"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}