न केवल ग्राफीन कार्बन नैनोट्यूब का परिचय आता है, बल्कि नए कार्बन नैनोमीटर और उनके सहायक तंत्र भी ene

फुलरीन, कार्बन नैनोट्यूब (CNTs, कार्बन नैनोट्यूब) और ग्रेफीन (ग्राफीन) हाल के वर्षों में लोकप्रिय कार्बन नैनोमेट्री हैं। वर्तमान में, पांच वैज्ञानिकों ने इस क्षेत्र में नोबेल पुरस्कार जीता है। कार्बन नैनोमैटिरियल्स की व्यापक रूप से मांग क्यों की जाती है? उदाहरण के लिए, कार्बन फाइबर से बने स्टील से बनी साइकिल कार्बन परमाणुओं के बहुत कम द्रव्यमान और कार्बन परमाणुओं के बीच या कार्बन परमाणुओं और अन्य परमाणुओं के बीच रासायनिक बंधों के कारण साधारण साइकिलों के भार का एक अंश होती है। बहुत ताकतवर। इसलिए, कार्बन नैनोमीटर के साथ मिश्रित सामग्री में आमतौर पर बेहतर यांत्रिक गुण और हल्का समग्र वजन होता है।

पहले सिद्धांतों का व्यापक रूप से भौतिकी, रसायन विज्ञान और सामग्री विज्ञान में उपयोग किया जाता है। सामग्री डिजाइन, सामग्री भविष्यवाणी, व्याख्या प्रयोगों, आदि पहले सिद्धांतों की गणना से अविभाज्य हैं, क्योंकि पहला सिद्धांत श्रोडिंगर समीकरण से शुरू होता है और सामग्री के अधिकांश भौतिक गुणों की गणना करने के लिए बहुत कम मापदंडों की आवश्यकता होती है; एडियाबेटिक धारणा के साथ संयुक्त, इसका उपयोग आणविक गतिशीलता का अनुकरण करने के लिए भी किया जा सकता है। कार्बन नैनोमीटर के क्षेत्र में, पहले-सिद्धांतों की गणना का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है क्योंकि कार्बन परमाणुओं का इलेक्ट्रॉनिक सहसंबंध बहुत कमजोर है, और पहले-सिद्धांतों की गणना अक्सर बहुत सटीक भविष्यवाणियां कर सकती है।

यह लेख कुछ नए प्रकार के कार्बन नैनोमैटिरियल्स को पेश करेगा, जो कि कार्बन परमाणुओं के संयुक्त रूप से अलग-अलग होते हैं और जाने-माने फुलरीन, कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन में व्यवस्थित होते हैं। ये सूक्ष्म अंतर अंतिम भौतिक गुणों में परिलक्षित हो सकते हैं लेकिन बहुत भिन्न हो सकते हैं। कार्बन परमाणुओं की व्यवस्था में एक छोटा सा अंतर भौतिक गुणों में बड़े अंतर में तब्दील हो सकता है, जहाँ कार्बन नैनोमेट्रिक्स कई सामग्री वैज्ञानिकों, भौतिकविदों और रसायनज्ञों को आकर्षित करते हैं।

1. संकरण और आयाम

कार्बन परमाणु को कार्बन परमाणुओं को संकरण करने के दो मुख्य तरीके हैं: sp2 या sp3। Sp2 हाइब्रिड मोड में, प्रत्येक कार्बन परमाणु 120 डिग्री के कोण पर एक विमान में समान रूप से वितरित तीन आणविक ऑर्बिटल्स बनाता है, और एक आउट-ऑफ-प्लेन पी-ऑर्बिट, जिसे आमतौर पर पीज़ ऑर्बिटल के रूप में जाना जाता है; सबसे विशिष्ट कार्बन नैनोमीटर यह एक प्रसिद्ध ग्राफीन है। Sp3 हाइब्रिड मोड में, प्रत्येक कार्बन परमाणु चार आणविक ऑर्बिटल्स बनाता है जो अंतरिक्ष में समान रूप से वितरित होते हैं, जो शरीर से नियमित रूप से टेट्राहेड्रोन के आकार को चार चक्कर लगाते हैं। एक विशिष्ट ठोस पदार्थ एक हीरे का प्रतिनिधित्व करता है, लेकिन नैनोमैटेरियल्स की दुनिया का एक विशिष्ट प्रतिनिधि एडमैंटेन है। एडमंटेन सामग्रियों के एक पूरे परिवार का प्रतिनिधि है, और एक अणु में हीरे की संरचना का एक कोर होता है। यदि इसमें हीरे की संरचना के कई कोर शामिल हैं, तो सामग्री का यह परिवार डायमंडॉयड बन जाएगा। चित्र 1: हाइब्रिडिज़ेशन (sp2, पहली पंक्ति; या sp3, दूसरी पंक्ति) और सामग्री आयामों के अनुसार वर्गीकृत कार्बन कार्बन नैनोमैटिक्स।

आकृति 1

ऊपर सिर्फ संकरण है, या बल्कि, एक मुख्यधारा का विकल्प है कि एक एकल कार्बन परमाणु एक नैनोमीटर बनाते समय बना सकता है। जब कई कार्बन परमाणु संयुक्त होते हैं, तो संकरण के अलावा, वे किसी भी दिशा में विस्तार करना चुन सकते हैं। क्या यह एक शून्य-आयामी सामग्री या उच्च-अक्षांश सामग्री है? उपरोक्त चार्ट 1 संकरण और आयाम के अनुसार विभिन्न प्रतिनिधि सामग्रियों को सूचीबद्ध करता है।

एस 3 हाइब्रिड मोड में एक आयामी सामग्री में एक विशिष्ट कमी होती है। प्रासंगिक अनुसंधान से परिचित पाठक पॉलीइथिलीन के बारे में सोच सकते हैं, लेकिन व्यक्तिगत अणुओं के संदर्भ में, पॉलीइथाइलीन अणुओं में कुछ लंबी दूरी के कॉन्फ़िगरेशन नियमों, या लंबी दूरी के आदेश की कमी होती है, और आमतौर पर कार्बन नैनोमैटिरियल्स में अभाव की कमी होती है। मशीनी शक्ति।

2.कार्बन नैनोवायर

नीचे दी गई सामग्री को देखकर, क्या यह थोड़ा दिलचस्प है? क्या यह ठोस या मैक्रोमोलेक्यूल है?

कार्बन नैनोवायर्स

कार्बन नैनोमीटर का यह नया प्रकार कार्बन परमाणुओं की एक 3 हाइब्रिड संरचना और कार्बन परमाणुओं की एक आयामी संरचना है। इसी समय, उनके क्रॉस सेक्शन पारंपरिक रैखिक कार्बनिक अणु की तरह नहीं हैं, लेकिन कई रासायनिक बंधन हैं। क्रॉस सेक्शन से गुजरें। इसका मतलब है कि ये सामग्री इलेक्ट्रॉनिक गुणों के मामले में हीरे के इन्सुलेटर के करीब हैं। वे पारंपरिक रैखिक कार्बनिक अणुओं के लिए यांत्रिक गुणों में बहुत बेहतर हैं, और उनकी यांत्रिक शक्ति कार्बन नैनोट्यूब या ग्राफीन के करीब है। सैद्धांतिक गणना इन [1] की पुष्टि करती है, उन्हें कार्बन नैनोवायर या डायमंड नैनोथ्रेड कहा जाता है।

क्या यह नई सामग्री एक अजीब आकार के साथ सिर्फ एक सैद्धांतिक उम्मीद है, या क्या यह वास्तव में तैयार किया जा सकता है? ऐसा लगता है कि इस तरह की सामग्रियों को छोटे कार्बनिक अणुओं के संश्लेषण से शुरू करने की आवश्यकता होती है, एक छोटी से बड़ी प्रक्रिया के बाद, लेकिन प्रयोगात्मक रूप से [2] एक प्रक्रिया के माध्यम से बड़े से छोटे, बेंजीन की ठोस अवस्था से शुरू होती है, 25GPa उच्च दबाव के बाद मूल sp2 संकर रासायनिक बंधन की भूमिका उच्च दबाव में एक sp3 संकर रासायनिक बंधन बन जाती है, जिससे तीन आयामी आणविक क्रिस्टल को एक आयामी कार्बन नैनोमीटर में बदल दिया जाता है।

लंबी दूरी के आदेश वाले एक-आयामी नैनोवायरों को चित्र 2 के उदाहरण में दिखाया गया है; अनियंत्रित संरचनाएं अक्सर वास्तविक प्रयोगों में प्राप्त की जा सकती हैं। यह आंकड़ा एक अव्यवस्थित संरचना और प्रयोगों में प्राप्त कार्बन नैनोवायर क्रिस्टल की टनलिंग माइक्रोस्कोपी को स्कैन करने के परिणामों को दर्शाता है।लंबी दूरी के एक आयामी nanowires का आदेश दिया

3. प्रथम-सिद्धांत गणनाओं को लागू करना

पहले-सिद्धांतों की गणना सामग्रियों के गुणों की भविष्यवाणी करने में अच्छा प्रदर्शन करती है। प्रायोगिक परिणामों के संयोजन से प्रायोगिक परिणामों की व्याख्या पर अक्सर अधिक गहन दृष्टिकोण सामने आते हैं। हीरे की कार्बन नैनोवायरस के संश्लेषण में, कठोर प्रायोगिक स्थितियों के कारण, 25GPa के उच्च दबाव को एक बहुत छोटे हीरे के कक्ष सेल (DAC) में महसूस करने की आवश्यकता होती है, इसलिए सामग्री के प्रयोगात्मक संश्लेषण में लंबी दूरी के क्रम, प्रयोगात्मक परिणामों का अभाव होता है। पहली नज़र में, विकार विकार का एक बहुत कुछ है। सैद्धांतिक गणना हमें यह पता लगाने में मदद कर सकती है कि क्या रचना में वह नई सामग्री है जिसकी हम अपेक्षा करते हैं।

सिद्धांत रूप में, हम एक कार्बन नैनोवायर संरचना बन गए हैं। स्टोन-वेल्स रासायनिक बांड रोटेशन की शुरुआत करके एक निश्चित विकार को जोड़ने के बाद, हम सैद्धांतिक गणना का उपयोग परमाणु स्थिति में छूट के लिए कर सकते हैं और फिर सबसे कम ऊर्जा के साथ इष्टतम संरचना प्राप्त कर सकते हैं। सटीक सैद्धांतिक गणना एक सामग्री में परमाणुओं के बीच की दूरी दे सकती है, या एक सामग्री में रेडियल वितरण फ़ंक्शन की गणना कर सकती है। चित्रा 4 में प्रयोगात्मक परिणामों के साथ सैद्धांतिक परिणामों की तुलना करना। यह न केवल पुष्टि करता है कि प्रयोगात्मक संरचना सैद्धांतिक संरचना के साथ है, बल्कि यह भी बताती है कि परमाणु संरचनाएं प्रयोगात्मक परिणामों के चरम संकल्प के अनुरूप हैं।

चित्रा 4. सैद्धांतिक रूप से उत्पन्न कार्बन नैनोवायर संरचनाओं के सिम्युलेटेड रेडियल वितरण समारोह के साथ प्रयोगात्मक संश्लेषित नैनोवायर्स के रेडियल वितरण समारोह (आरडीएफ) की तुलना।चित्रा 4. रेडियल वितरण समारोह की तुलना

पहला सिद्धांत गणना सामग्री के ऑप्टिकल गुणों को देता है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी अक्सर प्रयोगात्मक रचनाओं को चिह्नित करने का एक विश्वसनीय साधन है क्योंकि इसमें प्रयोगात्मक रचना को नष्ट करने की आवश्यकता नहीं है, और वर्णक्रमीय चोटियां हमें बता सकती हैं कि आणविक थरथानेवाला मोड में रमन गतिविधि क्या है। घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत द्वारा रमन स्पेक्ट्रम की गणना करने की एक विधि पहले अणु के ढांकता हुआ निरंतर की गणना करना है, और फिर ढांकता हुआ निरंतर के परिवर्तन की गणना करने के लिए आणविक कंपन के आइजेनमोड के साथ परमाणु स्थिति का एक छोटा विस्थापन करना है। आधुनिक कंप्यूटर की उन्नत कंप्यूटिंग शक्ति के साथ, हम अब यह निर्धारित करने के लिए आसानी से एक अणु की रमन गतिविधि की गणना कर सकते हैं कि प्रयोगात्मक संरचना में कौन सी संरचनात्मक इकाइयाँ मौजूद हैं। चित्र 5 में रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी की गणना और विश्लेषण द्वारा कार्बन नैनोवायरस के संश्लेषण परिणामों में शामिल एक विशेषता संरचनात्मक इकाई को दिखाया गया है।

चित्रा 5. कार्बन नैनोवियर्स के प्रयोगात्मक रमन स्पेक्ट्रा की तुलना सिद्धांत के साथ।आंकड़ा 5

4. क्रियाशीलता

कार्बन नैनोमीटर की एक महत्वपूर्ण विशेषता उनके लिए विभिन्न कार्यात्मक समूहों को जोड़ने की क्षमता है। जब तक सिंथेटिक तैयारी की तैयारी के चरण में कुछ छोटे कार्बनिक अणुओं को बदल दिया जाता है। कार्बन नैनोवायर सामग्री में, एक साधारण विधि में क्लोरीन परमाणु (Cl) के साथ अभिकारक में हाइड्रोजन परमाणु (H) को प्रतिस्थापित करना या नाइट्रोजन परमाणु (N) और एक कार्बन परमाणु (B) के साथ कार्बन परमाणु को प्रतिस्थापित करना शामिल है। इसके इलेक्ट्रॉनिक गुणों, फोनन गुणों, थर्मल गुणों या यांत्रिक गुणों को बदलने के लिए इसे कार्यात्मक किया जा सकता है। चित्रा 6 नाइट्रोजन परमाणुओं [4] के साथ हाइड्रोकार्बन समूहों की जगह द्वारा गठित कई विशिष्ट नैनोवायर संरचनाओं को दर्शाता है।

नैनोवायरों को संश्लेषित करने के लिए नाइट्रोजन परमाणु युक्त प्रारंभिक अभिकारक के साथ बेंजीन की जगह का अध्ययन लेख [3] में प्रकाशित हुआ है। यह प्रतिस्थापन डोपिंग के बजाय एक पूर्ण प्रतिस्थापन है, प्रतिक्रिया में भाग लेने के लिए बेंजीन रिंग के बजाय पाइरिडीन (पाइरिडाइन, सी 5 एनएच 5) का उपयोग करते हुए, प्रतिक्रिया प्रक्रिया अभी भी उच्च दबाव वाले हीरे की गिट्टी के उपयोग के समान है, स्पाइ 2 हाइब्रिड कार्बन में परिवर्तित हो जाती है। sp3 हाइब्रिड कार्बन और छोटे अणुओं के रूपांतरण को एक आयामी सामग्री में पूरा करता है।

पहले सिद्धांतों के सिद्धांत का उपयोग करते हुए, हम दो तरीकों से अध्ययन कर सकते हैं, जिसमें उस संरचना की कार्बन नैनोवायर सामग्री को संश्लेषित किया जाता है। एक प्रयोगों के साथ सभी उम्मीदवार संरचनाओं के लक्षण वर्णन गुणों की तुलना करना है, जैसे कि रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्सआरडी, और इसी तरह। दूसरी उनकी ऊर्जा से स्वाभाविक रूप से छँट जाती है। कार्बन नैनोवायरों की ऊर्जा की गणना में, उनकी आणविक संरचना और आवधिकता को पहले अनुकूलित किया जाना चाहिए। हालांकि, इस एक आयामी सामग्री की एक विशेषता है कि उनके पास एक पेचदार संरचना है, जो गणना में कुछ कठिनाइयों का निर्माण करती है।

यदि आप मैक्रोमॉलेक्यूल को प्रतिस्थापित करते हैं जो दोनों छोरों पर काटे जाते हैं, तो ऊर्जा गणना गलत होनी चाहिए; यदि आप आवधिक सीमा शर्तों का उपयोग करते हैं, तो आप हेलिक्स कोण का निर्धारण कैसे करते हैं? एक व्यवहार्य चाल गणना [2] के लिए कई हेलिक्स कोणों का चयन करना है। प्रत्येक कोण अलग है, जिसका अर्थ है कि संरचनात्मक दोहराव की अवधि एक आयामी संरचना के साथ अलग है। कई विभिन्न हेलिक्स कोणों की गणना करने के बाद, प्रति संरचनात्मक इकाई (या औसत प्रति परमाणु) औसत ऊर्जा प्राप्त की जाती है, और हेलिक्स कोण पर एक साधारण द्विघात प्रतिगमन फिट किया जाता है। द्विघात प्रतिगमन फिटिंग की अंतर्निहित धारणा यह है कि दो आसन्न संरचनात्मक तत्वों के बीच का प्रभाव लगभग वसंत जैसा है। हालांकि यह पूरी तरह से वास्तविक परिकल्पना नहीं है, यह अभी भी आसन्न इकाइयों के बीच मुख्य बल पर कब्जा कर सकता है, क्योंकि कार्बन नैनोमैटेरियल्स में, आसन्न परमाणुओं और आसन्न संरचनात्मक इकाइयों के बीच सहसंयोजक बंधन बलों का उपयोग किया जाता है। वसंत के हुक का नियम अनुमानित है।

चित्र 6. साहित्य से नाइट्रोजन परमाणुओं से सजे चार विशिष्ट हीरे कार्बन नैनोवायरस [4]

चित्र 6. साहित्य से नाइट्रोजन परमाणुओं से सजे चार विशिष्ट हीरे कार्बन नैनोवायर्स

5. यांत्रिक शक्ति

कार्बन नैनोमैटेरियल्स में बहुत सारे अद्भुत विद्युत गुण हैं, लेकिन अब वे व्यापक रूप से उनके यांत्रिक लपट में उपयोग किए जाते हैं: हल्के परमाणु, मजबूत बंधन। कार्बन नैनोवायरों में हीरे की मूल इकाई होती है। क्या उनके पास भी पर्याप्त ताकत होगी? सीधे शब्दों में कहें, हाँ। जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है, गणना से पता चलता है कि कार्बन नैनोवायर्स में 800 और 930 GPa के बीच एक यंग मापांक है, जो प्राकृतिक हीरे (1220 GPa) के बराबर है। बेशक, इस एक आयामी सामग्री की यांत्रिक शक्ति दिशात्मक है। यह एक नुकसान और एक फायदा दोनों है: यह सामग्री एक दिशा में सभी यांत्रिक शक्तियों को केंद्रित करती है। कुछ लोग कल्पना भी करते हैं कि इस कार्बन नैनोवायर का उपयोग स्पेस एलेवेटर के लिए केबल बनाने के लिए किया जा सकता है।

चित्र 7. संदर्भ [5] से तीन अलग-अलग प्रकार के हीरे कार्बन नैनोवायर के यंग मापांक।चित्र 7. युवा और #039; संदर्भ से तीन अलग-अलग प्रकार के हीरे कार्बन नैनोवायर के मापांक

6। निष्कर्ष

डायमंड कार्बन नैनोवायर्स हाल ही में एक सख्त एक आयामी संरचना और उच्च यांत्रिक शक्ति के साथ कार्बन नैनोमीटर के बड़े परिवार में शामिल हो गए हैं। अनुसंधान प्रक्रिया में, शक्तिशाली कंप्यूटिंग शक्ति की मदद से, पहले सिद्धांतों की गणना के माध्यम से, संभव कार्बन नैनोवायर परमाणु आणविक संरचना का अध्ययन किया जा सकता है, और प्रयोगात्मक परिणामों की व्याख्या में मदद की जा सकती है, और प्रयोगात्मक परिणामों का गहराई से विश्लेषण किया जा सकता है। । कार्बन नैनोवायर्स, साथ ही कार्बन नैनोस्ट्रक्चर की कई अन्य नई दिलचस्प विशेषताएं, अधिक सैद्धांतिक गणना और प्रयोगात्मक सत्यापन की प्रतीक्षा कर रही हैं।

संदर्भ

1. फिजगिब्बन्स, टीसी; गुथरी, एम।; जू, ई-एस; क्रिस्पी, वीएच; डेविडोवस्की, एसके; कोडी, जीडी; एलेम, एन।; बैडिंग, जेवी मैटर। 2014, 14, 43 - 47

2.Xu, ई-एस; लैम्मर्ट, पीई; क्रिस्पी, वीएच नैनो लेट। 2015, 15, 5124 - 5130

3. एलआई, एक्स।; वांग, टी।; डुआन, पी।; बालदिनी, एम।; हुआंग, एच।-टी।; चेन, बी।; जुहल, एसजे; कोप्पलिंगर, डी।; क्रिस्पी, वीएच; श्मिट-रोहर, के।; हॉफमैन, आर।; एलेम, एन।; गुथरी, एम।; झांग, एक्स।; बैडिंग, जेवी एम। रसायन। समाज। 2018, 140, 4969 - 4972

4. जब, बी।; वांग, टी।; क्रिस्पी, वीएच; बैडिंग, जेवी; हॉफमैन, आर। केम। सिद्धांत गणना। 2018, 14, 1131 - 1140

5.झान, एच।; झांग, जी।; टैन, वीबीसी; चेंग, वाई।; बेल, जेएम; झांग, वाई।-डब्ल्यू।; गु, वाई। नैनोस्केल 2016, 8, 11177 - 11184

 

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