Ora mung introduksi nanotubes karbon graphene, nanging uga nanomaterial karbon sing anyar lan mekanisme tambahan!

Fullerene, nanotub karbon (CNT, Carbon Nanotubes) lan graphenes (Graphene) yaiku nanomaterial karbon sing populer ing taun-taun pungkasan. Saiki, limang ilmuwan wis menangake Hadiah Nobel ing lapangan iki. Napa karbon nanomaterial akeh digoleki? Contone, sepeda sing digawe saka baja karbon ditambahake mung bagian sepisanan sepeda bobot sepeda amarga massa atom karbon sing sithik lan ikatan kimia ing antarane atom karbon utawa ing antarane atom karbon lan atom liyane. Kuwat banget. Mula, bahan-bahan sing dicampur karo nanometer karbon biasane duwe sipat mekanik sing luwih apik lan bobot sakabehe sing luwih entheng.

Prinsip pertama digunakake sacara umum ing ilmu fisika, kimia, lan ilmu bahan. Desain bahan, ramalan materi, eksperimen interpretasi, lan liya-liyane ora bisa dibedakake saka pitungan prinsip pisanan, amarga prinsip pisanan diwiwiti saka rumus Schrödinger lan mbutuhake banget sawetara paramèter kanggo ngetung sebagian sifat-sifat materi saka materi kanthi akurat; Saliyane digabungake karo asumsi adiabatic, bisa uga digunakake kanggo nyonto dinamika molekular. Ing lapangan nanomaterial karbon, kalkulasi prinsip pisanan digunakake kanthi akeh amarga korelasi elektronik atom karbon banget lemah, lan pitungan prinsip-prinsip asring bisa nggawe ramalan sing akurat banget.

Artikel iki bakal ngenalake sawetara jinis nanomaterial karbon sing beda beda karo cara karbon digabungake lan disusun ing fullerenes, karbon nanotubes, lan graphene. Beda subtle iki bisa dibayangke ing sifat material akhir nanging bisa beda. Bentenipun alit babagan susunan atom karbon bisa nerjemahake beda karo macem-macem sifat material, ing endi nanomaterial karbon narik akeh ilmuwan, fisikawan, lan ahli kimia.

1.Hybridisasi lan ukuran

Ana rong cara utama kanggo hibrida atom karbon dadi nanomaterial karbon: sp2 utawa sp3. Ing mode hibrida sp2, saben atom karbon mbentuk telung orbit molekuler sing disebar kanthi seragam ing pesawat kanthi sudut 120 derajat, lan pesawat p-orbit sing metu, umume dikenal minangka orbit pz; nanomaterial karbon sing paling umum yaiku graphene sing misuwur. Ing mode hibrida sp3, saben atom karbon mbentuk papat orbital molekuler sing rata-rata disebar ing ruang, kanthi kasar bentuk tetrahedron rutin saka awak menyang papat vertikal. Bahan padat khas minangka inten, nanging Wakil khas jagad nanomaterial yaiku Adamantane. Adamantane minangka wakil saka kulawarga kanggo kabeh bahan, lan molekul ngemot inti saka struktur berlian. Yen isine macem-macem intine struktur inten, mula kulawarga iki bakal dadi Diamondoid. Gambar 1: Nanomaterial karbon khas diklasifikasikake miturut hibridisasi (sp2, baris pertama; utawa sp3, baris kapindho) lan dimensi materi.

Gambar 1

Sing kasebut ing ndhuwur iku mung hibridisasi, utawa luwih, dadi pilihan ide atom sing bisa digawe saka atom karbon siji nalika mbentuk nanomaterial. Nalika akeh atom karbon digabungake, saliyane hibridisasi, bisa milih nggedhekake menyang endi wae. Apa materi inti dimensi utawa materi kanthi garis lintang? Bagan ing ndhuwur 1 nampilake macem-macem bahan perwakilan miturut hibridisasi lan ukuran.

Bahan siji-dimensi ing mode hibrida sp3 kurang khas. Pembaca sing wis kenal karo riset sing relevan bisa uga mikirake Politetilena, nanging saka segi molekul individu, molekul poliethelin kurang sawetara aturan konfigurasi jarak dawa, utawa tatanan jangka panjang, lan kurang ngidam biasane ing nanomaterial karbon. Kekuwatan mekanik.

2.carbon nanowires

Deleng materi ing ngisor iki, apa cukup narik? Apa sing solid utawa makromolekul?

nanowire karbon

Iki jenis karbon nanomaterial anyar minangka loro sp3 atom karbon lan komposisi siji-atom atom karbon. Ing wektu sing padha, bagean salib kasebut ora kaya molekul organik linear tradisional, nanging duwe ikatan pirang-pirang bahan kimia. Liwat bagean silang. Iki tegese bahan kasebut cedhak karo insulatortor inten ing babagan sifat elektronik. Dheweke luwih unggul ing sifat-sifat mekanik kanggo molekul organik linier tradisional, lan kekuwatan mekanike cedhak karo karbon nanotubes utawa graphene. Itungan teori nggawe konfirmasi iki, mula diarani karbon nanowire, utawa nanothreads inten.

Apa materi anyar iki kanthi bentuk aneh mung pengarepan teoritis, utawa bisa nyiyapake? Katon yen bahan kasebut kudu diwiwiti saka sintesis molekul organik cilik, sawise proses cilik nganti gedhe, nanging eksperimen [2] yaiku liwat proses saka gedhe nganti cilik, diwiwiti saka negara solid benzene, sawise tekanan dhuwur 25GPa peran saka ikatan kimia hibrida sp2 asli dadi ikatan kimia hibrida sp3 ing tekanan dhuwur, saéngga ngowahi kristal molekul telung dimensi dadi nanomaterial karbon siji-dimensi.

Dawa-ukuran nanowire dimensi jarak dawa ditampilake ing conto Gambar 2; Struktur sing ora diatur bisa asring dipikolehi ing eksperimen nyata. Angka iki nuduhake struktur sing ora bisa dirusak lan asil mikroskop tunneling saka kristal nanowire karbon sing dipikolehi ing eksperimen.Jarak dawa sawetara nanowire dimensi

3. Nggunakake petungan prinsip pisanan

Pitungan prinsip pisanan bisa nindakake prédhiksi babagan bahan. Nggabungake asil eksperimen asring nyebabake perspektif sing luwih jero babagan interpretasi asil eksperimen. Ing sintesis nanowires karbon berlian, amarga kahanan eksperimen sing atos, tekanan dhuwur 25GPa kudu diwujudake ing sel anvil berlian (DAC) sing cilik, saéngga sintesis bahan eksperimen ora duwe dhuwure jarak dawa, asil eksperimen ing sepisanan pisanan, ana gangguan gangguan sing akeh. Itungan teori bisa mbantu mbedakake manawa komposisi kasebut ngemot bahan anyar sing dikarepake.

Ing teori, kita wis dadi struktur karbon nanowire. Sawise nambah kelainan tartamtu kanthi ngenalake rotasi kimia Stone-Wales, kita bisa nggunakake pitungan teori kanggo nindakake relaksasi posisi atom lan banjur entuk struktur paling optimal kanthi energi paling sithik. Itungan teori sing tepat bisa menehi jarak antarane atom ing sawijining materi, utawa ngetung fungsi distribusi radial ing sawijining bahan. Mbandhingake asil teoritis karo asil eksperimen ing Gambar 4. Iki ora mung negesake manawa komposisi eksperimen kasebut setuju karo struktur teoritis, nanging uga ngerti babagan struktur atom sing cocog karo resolusi puncak saka asil eksperimen.

Gambar 4. Perbandingan fungsi distribusi radial (RDF) saka nanowire sintesis eksperimen kanthi fungsi distribusi radial simulasi struktur nanowire karbon.Gambar 4. Perbandingan fungsi distribusi radial

Pitungan prinsip pisanan menehi sipat optik saka materi kasebut. Spéktroskopi Raman asring dadi cara dipercaya kanggo nyipta komposisi eksperimen amarga ora kudu ngrusak komposisi eksperimen, lan puncak spektral bisa ngomong apa mode geter molekuler duwe kegiatan Raman. Salah sawijining metode ngitung spektrum Raman kanthi teori fungsionalitas kapadanan yaiku ngetung konstanta dielektrik pisanan, banjur nindakake pamindahan posisi atom ing sadawane eigenmode getaran molekuler kanggo ngetung pangowahan konstan dielektrik. Kanthi kekuwatan komputasi komputer modern, saiki bisa ngitung kegiatan Raman sawijining molekul kanggo nemtokake unit struktural sing ana ing komposisi eksperimen. Gambar 5 nuduhake unit struktural karakteristik sing kalebu ing asil sintesis nanowires karbon kanthi pitungan lan analisa spektroskopi Raman.

Gambar 5. Perbandingan spektrum Raman eksperimen kanggo nanowire karbon kanthi teori.tokoh 5

4. Fungsionalitas

Fitur penting nanomaterial karbon yaiku kemampuan kanggo nambah macem-macem klompok fungsi kanggo dheweke. Anggere sawetara molekul organik cilik diganti ing tahap persiapan persiapan sintetik. Ing materi karbon nanowire, metode sing gampang kalebu ngganti atom hidrogen (H) ing reaktor nganggo atom klorin (Cl), utawa ngganti atom karbon ing kana nganggo atom nitrogen (N) lan atom boron (B). Bisa dienggo kanggo ngganti sifat elektronik, sifat phonon, sipat termal utawa sifat mekanik. Gambar 6 nuduhake sawetara struktur nanowire khas sing dibentuk kanthi ngganti klompok hidrokarbon karo atom nitrogen [4].

Sinau kanggo ngganti benzena karo reaktan awal sing ngemot atom nitrogen kanggo sintesis nanowires diterbitake ing artikel [3]. Penggantian iki minangka panggantos lengkap tinimbang doping, nggunakake pyridine (pyridine, C5NH5) tinimbang cincin benzene kanggo melu reaksi kasebut, proses reaksi isih padha karo panggunaan ballast berlian tekanan tinggi, karbon hibrida sp2 diowahi dadi Sp3 karbon hibrida Lan ngrampungake transformasi molekul cilik dadi bahan siji-dimensi.

Kanthi nggunakake prinsip prinsip pisanan, kita bisa sinau kanthi rong metode, sing bahan karbon nanowire struktur kasebut disintesis. Salah sijine yaiku mbandhingake sifat karakterisasi kabeh struktur calon karo eksperimen, kayata spektroskopi Raman, XRD, lan liya-liyane. Liyane wis diurutake kanthi energi. Ing ngitung energi nanowire karbon, struktur lan periodik molekuler kudu dioptimalake dhisik. Nanging, materi siji-dimensi iki duwe karakteristik yen dheweke duwe struktur helical, sing nggawe sawetara kesulitan kanggo pitungan.

Yen sampeyan ngganti makromolekul sing dipotong ing sisih mburi, pitungan energi kudu akurat; yen sampeyan nggunakake kahanan watesan périodik, kepiye sampeyan nemtokake sudut helix? Trik sing bisa ditindakake yaiku milih sawetara sudhut helix kanggo pitungan [2]. Saben sudut beda, tegese dawa wektu ulangan struktural beda karo struktur siji-dimensi. Sawise ngitung sawetara sudhut helix, energi rata-rata saben unit struktural (utawa rata-rata saben atom) dipikolehi, lan pas regresi kuadrat sing prasaja ditindakake ing sudut helix. Anggapan pas regresi quadratic yaiku yen efek antarane rong unsur strukture jejer kaya musim semi. Sanajan iki dudu hipotesis sing bener, mula isih bisa ngrebut kekuwatan utama ing antarane unit sing ana gandhengane, amarga ing nanomaterial karbon, kekuwatan ikatan kovalen antarane atom sing cedhak lan unit strukture sing digunakake. Hukum ing Hooke musim semi kira-kira kurang luwih.

Gambar 6. Sekawan nanowire karbon berlian khas sing dihiasi karo atom nitrogen saka literatur.

Gambar 6. Sekawan nanowire karbon berlian khas sing dihiasi nganggo atom nitrogen saka karya sastra

5. Kekuwatan mekanik

Nanomaterial karbon duwe akeh sifat-sifat listrik sing apik banget, nanging saiki digunakake kanthi nggunakake lightness mekanik: atom cahya, ikatan kuwat. Nanowire karbon duwe unit dhasar berlian. Apa dheweke uga bakal duwe kekuatan sing cukup? Cukup, ya. Kaya sing ditampilake ing Gambar 7, petungan nuduhake yen nanowire karbon duwe modulus Young ing antarane 800 lan 930 GPa, sing dibandhingake karo berlian alami (1220 GPa). Mesthi wae kekuwatan mekanik saka bahan siji-dimensi iki ngarahake arah. Iki kerugian lan kauntungan: materi iki konsentrasi kabeh kekuwatan mekanik ing siji arah. Malah ana sing mbayangake yen nanowire karbon iki bisa digunakake kanggo nggawe kabel kanggo ruang angkasa.

Gambar 7. Modulus enom saka telung macem-macem jinis nanowire karbon berlian saka referensi [5].Gambar 7. modifikasi enom & #039; telung jinis macem-macem macem-macem nanowire karbon berlian saka referensi

6.Pasukan

Nanowire karbon berlian bubar gabung karo kulawarga nanomaterial karbon kanthi struktur siji-dimensi sing ketat lan kekuatan mekanik sing dhuwur. Ing proses riset, kanthi bantuan kekuwatan komputasi sing kuat, liwat perhitungan prinsip pertama, bisa struktur atom karbon nanowire bisa diteliti, lan interpretasi asil eksperimen bisa dibantu, lan asil eksperimen bisa dianalisa kanthi jero. . Karbon nanowires, uga macem-macem fitur anyar nanostruktur karbon liyane, ngenteni pitungan teori lan verifikasi eksperimen kanggo njelajah.

Cathetan

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. Kompetisi Teori. 2018, 14, 1131 - 1140

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

 

Maringi Balesan

Alamat email Sampéyan ora dijedulne utāwā dikatonke. Ros sing kudu diisi ānā tandané *

jv_IDBasa Jawa