그래 핀 탄소 나노 튜브의 도입뿐만 아니라 새로운 탄소 나노 소재 및 그 보조기구!

그래 핀 탄소 나노 튜브의 도입뿐만 아니라 새로운 탄소 나노 소재 및 그 보조기구!

풀러렌, 탄소 나노 튜브 (CNT, 탄소 나노 튜브) 및 그래 핀 (그래 핀)은 최근에 인기있는 탄소 나노 물질이다. 현재이 분야에서 5 명의 과학자가 노벨상을 수상했습니다. 탄소 나노 소재가 널리 요구되는 이유는 무엇입니까? 예를 들어, 탄소 섬유 첨가 강철로 만들어진 자전거는 매우 작은 질량의 탄소 원자와 탄소 원자 사이 또는 탄소 원자와 다른 원자 사이의 화학 결합으로 인해 일반 자전거 무게의 일부에 불과합니다. 매우 강한. 따라서, 탄소 나노 미터와 혼합 된 물질은 일반적으로 더 나은 기계적 성질 및 더 가벼운 전체 중량을 갖는다.

첫 번째 원칙은 물리, 화학 및 재료 과학에서 널리 사용됩니다. 재료 설계, 재료 예측, 해석 실험 등은 첫 번째 원리 계산과 분리 할 수 없습니다. 첫 번째 원리는 슈뢰딩거 방정식에서 시작하고 재료의 대부분의 재료 특성을 매우 정확하게 계산하기 위해 매개 변수가 거의 없기 때문입니다. 단열 가정과 추가로 결합하여 분자 역학을 시뮬레이션하는 데 사용될 수도 있습니다. 탄소 나노 물질 분야에서, 탄소 원자의 전자적 상관 관계가 매우 약하고, 제 1 원리 계산이 종종 매우 정확한 예측을 할 수 있기 때문에 제 1 원리 계산이 널리 사용된다.

이 기사에서는 탄소 원자가 잘 알려진 풀러렌, 탄소 나노 튜브 및 그래 핀으로 결합되고 배열되는 방식이 약간 다른 새로운 유형의 탄소 나노 물질을 소개합니다. 이러한 미묘한 차이는 최종 재료 특성에 반영 될 수 있지만 크게 다를 수 있습니다. 탄소 원자 배열의 작은 차이는 재료 특성의 큰 차이로 해석 될 수 있는데, 여기에서 탄소 나노 재료는 많은 재료 과학자, 물리학 자 및 화학자들을 끌어들입니다.

1. 하이브리드 화 및 치수

탄소 원자를 탄소 나노 물질에 혼성화하는 두 가지 주요 방법이 있습니다 : sp2 또는 sp3. sp2 하이브리드 모드에서, 각각의 탄소 원자는 120 도의 각도로 평면에 균일하게 분포 된 3 개의 분자 오비탈, 및 일반적으로 pz 오비탈로 알려진 평면 외 p- 오 비틀을 형성하고; 가장 일반적인 탄소 나노 물질 그것은 유명한 그래 핀입니다. sp3 하이브리드 모드에서, 각각의 탄소 원자는 공간에 균일하게 분포 된 4 개의 분자 오비탈을 형성하여, 대략 4 면체에서 정사면체의 형상을 대략 형성한다. 전형적인 고체 물질은 다이아몬드를 나타내지 만, 나노 물질의 세계를 대표하는 대표적인 것은 Adamantane입니다. Adamantane은 전체 물질 군을 대표하며 분자는 다이아몬드 구조의 핵심을 포함합니다. 그것이 여러 코어의 다이아몬드 구조를 포함한다면,이 재료 계열은 다이아몬드 형이됩니다. 그림 1 : 하이브리드 화 (sp2, 첫 번째 행 또는 sp3, 두 번째 행) 및 재료 크기에 따라 분류 된 일반적인 탄소 나노 재료.

상기는 단지 하이브리드 화, 또는 오히려 나노 물질을 형성 할 때 단일 탄소 원자가 만들 수있는 주류 선택이다. 하이브리드 화 이외에도 많은 탄소 원자가 결합되면 어떤 방향으로도 팽창하도록 선택할 수 있습니다. 0 차원 재료입니까, 위도 재료입니까? 위의 차트 1은 하이브리드 화 및 치수에 따른 다양한 대표 재료를 나열합니다.

sp3 하이브리드 모드의 1 차원 재료에는 전형이 없습니다. 관련 연구에 익숙한 독자는 폴리에틸렌에 대해 생각할 수 있지만 개별 분자의 관점에서 폴리에틸렌 분자에는 일부 장거리 구성 규칙이나 장거리 순서가 없으며 일반적으로 탄소 나노 물질의 갈망이 없습니다. 기계적 강도.

2. 탄소 나노 와이어

아래 자료를 보면 조금 흥미 롭습니까? 고체 또는 거대 분자입니까?

이 새로운 유형의 탄소 나노 물질은 탄소 원자의 sp3 하이브리드 및 탄소 원자의 1 차원 조성이다. 동시에, 그들의 단면은 전통적인 선형 유기 분자와 같지 않지만 여러 화학 결합을 가지고 있습니다. 횡단면을 통과하십시오. 이것은 이러한 물질이 전자적 특성면에서 다이아몬드 절연체에 가깝다는 것을 의미합니다. 그것들은 전통적인 선형 유기 분자에 비해 기계적 성질이 훨씬 뛰어나며, 기계적 강도는 탄소 나노 튜브 또는 그래 핀의 강도와 비슷합니다. 이론적 계산에 따르면 이러한 사실을 확인할 수 있습니다 [1],이를 탄소 나노 와이어 또는 다이아몬드 나노 스레드라고합니다.

이상한 모양의이 새로운 재료는 단지 이론적 인 기대입니까, 아니면 실제로 준비 될 수 있습니까? 이러한 물질은 작은 공정에서 큰 공정으로 작은 유기 분자의 합성에서 시작해야하는 것으로 보이지만, 실험적으로 [2] 25GPa 고압 후 벤젠의 고체 상태에서 시작하여 큰 것에서 작은 것까지의 과정을 거친다. 원래의 sp2 혼성 화학 결합의 역할은 고압 하에서 sp3 혼성 화학 결합이되어, 3 차원 분자 결정을 1 차원 탄소 나노 물질로 변형시킨다.

장거리 정렬 된 1 차원 나노 와이어가도 2의 예에 도시되어있다. 정렬되지 않은 구조는 종종 실제 실험에서 얻을 수 있습니다. 이 그림은 무질서한 구조와 실험에서 얻은 탄소 나노 와이어 결정의 터널링 현미경 검사 결과를 보여줍니다.

3. 원칙 계산 적용

1 원칙 계산은 재료의 특성을 예측하는 데 효과적입니다. 실험 결과를 결합하면 종종 실험 결과의 해석에 대한보다 심층적 인 관점으로 이어집니다. 다이아몬드 카본 나노 와이어의 합성에서 가혹한 실험 조건으로 인해 25GPa의 고압은 매우 작은 다이아몬드 앤빌 셀 (DAC)에서 실현되어야하므로 재료의 실험적 합성은 장거리 질서가 부족하다. 언뜻보기에 많은 장애 간섭이 있습니다. 이론적 계산은 조성물에 예상되는 새로운 재료가 포함되어 있는지 여부를 구별하는 데 도움이됩니다.

이론적으로, 우리는 탄소 나노 와이어 구조가되었습니다. Stone-Wales 화학 결합 회전을 도입하여 특정 장애를 추가 한 후 이론적 계산을 사용하여 원자 위치 완화를 수행 한 다음 가장 낮은 에너지로 최적의 구조를 얻을 수 있습니다. 정확한 이론적 계산은 재료의 원자 간 거리를 제공하거나 재료의 방사형 분포 함수를 계산할 수 있습니다. 이론 결과와 그림 4의 실험 결과를 비교하면 실험 구성이 이론 구조와 일치 함을 확인할뿐만 아니라 어떤 원자 구조가 실험 결과의 최고 해상도에 해당하는지 식별 할 수 있습니다.

그림 4. 이론적으로 생성 된 탄소 나노 와이어 구조의 시뮬레이션 된 방사형 분포 함수와 실험적으로 합성 된 나노 와이어의 방사형 분포 함수 (RDF) 비교

첫 번째 원리 계산은 재료의 광학 특성을 제공합니다. 라만 분광법은 실험 구성을 파괴 할 필요가 없기 때문에 실험 구성을 특성화하는 신뢰할 수있는 수단이며, 스펙트럼 피크는 어떤 분자 진동 모드가 라만 활성을 갖는지를 알려줄 수 있습니다. 밀도 기능 이론으로 라만 스펙트럼을 계산하는 한 가지 방법은 먼저 분자의 유전 상수를 계산 한 다음 분자 진동의 고유 모드를 따라 원자 위치의 작은 변위를 수행하여 유전 상수의 변화를 계산하는 것입니다. 현대 컴퓨터의 고급 컴퓨팅 성능을 통해 분자의 라만 활성을 쉽게 계산하여 실험 구성에 어떤 구조 단위가 있는지 확인할 수 있습니다. 도 5는 라만 분광법의 계산 및 분석에 의해 탄소 나노 와이어의 합성 결과에 포함 된 특징적인 구조 단위를 보여준다.

그림 5. 이론과 탄소 나노 와이어의 실험적인 라만 스펙트럼 비교.

4. 기능화

탄소 나노 물질의 중요한 특징은 다양한 기능기를 추가 할 수 있다는 것입니다. 합성 제제의 제조 단계에서 일부 작은 유기 분자가 대체되는 한. 탄소 나노 와이어 물질에서, 간단한 방법은 반응물의 수소 원자 (H)를 염소 원자 (Cl)로 대체하거나, 그 안의 탄소 원자를 질소 원자 (N) 및 붕소 원자 (B)로 대체하는 것을 포함한다. 전자 특성, 포논 특성, 열 특성 또는 기계적 특성을 변경하도록 기능화 할 수 있습니다. 그림 6은 탄화수소 그룹을 질소 원자로 대체하여 형성된 몇 가지 전형적인 나노 와이어 구조를 보여준다 [4].

나노 와이어를 합성하기 위해 벤젠을 질소 원자를 함유 한 초기 반응물로 대체하는 연구는 논문 [3]에 발표되어있다. 이 대체물은 벤젠 고리 대신 피리딘 (피리딘, C5NH5)을 사용하여 도핑 대신 완전한 대체물이며, 반응 과정은 여전히 고압 다이아몬드 밸러스트의 사용과 유사하며, sp2 하이브리드 탄소는 sp3 hybrid carbon 소분자를 일차원 물질로 변환하는 작업을 완료하십시오.

첫 번째 원리의 원리를 사용하여, 우리는 그 구조의 탄소 나노 와이어 재료가 합성되는 두 가지 방법으로 연구 할 수 있습니다. 하나는 모든 후보 구조의 특성을 라만 분광법, XRD 등과 같은 실험과 비교하는 것입니다. 다른 하나는 자연적으로 그들의 에너지에 의해 분류됩니다. 탄소 나노 와이어의 에너지를 계산할 때, 분자 구조와 주기성을 먼저 최적화해야합니다. 그러나,이 1 차원 재료는 나선형 구조를 갖는 특성을 가지므로 계산에 약간의 어려움이있다.

양쪽 끝이 잘린 고분자를 교체하면 에너지 계산이 정확하지 않을 수 있습니다. 주기적 경계 조건을 사용하는 경우 나선 각도를 어떻게 결정합니까? 실현 가능한 트릭은 계산을 위해 여러 나선 각도를 선택하는 것입니다[2]. 각 각도가 다르므로 1차원 구조를 따라 구조적 반복 주기의 길이가 다릅니다. 여러 다른 나선 각도를 계산한 후 구조 단위당 평균 에너지(또는 원자당 평균)를 구하고 나선 각도에 대해 간단한 2차 회귀 맞춤을 수행합니다. 2차 회귀 피팅의 암시적 가정은 두 개의 인접한 구조 요소 사이의 효과가 대략 스프링과 유사하다는 것입니다. 비록 이것이 완전히 맞는 가설은 아니지만, 탄소나노물질에서는 인접한 원자와 인접한 구조 단위 사이의 공유 결합력이 사용되기 때문에 여전히 인접한 단위 사이의 주력을 포착할 수 있습니다. 스프링의 훅의 법칙은 근사치입니다.

그림 6. 문헌에서 질소 원자로 장식 된 4 개의 전형적인 다이아몬드 탄소 나노 와이어 [4]

5. 기계적 강도

탄소 나노 물질은 훌륭한 전기적 특성을 많이 가지고 있지만 지금은 기계적 가벼움, 즉 가벼운 원자, 강한 결합으로 널리 사용됩니다. 탄소나노선은 다이아몬드의 기본 단위를 가지고 있습니다. 그들은 또한 충분한 힘을 가질 수 있습니까? 간단히 말해서 그렇습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 계산 결과 탄소 나노와이어의 영률은 800~930GPa로 천연 다이아몬드(1220GPa)와 비슷합니다. 물론 이 1차원 재료의 기계적 강도는 방향성입니다. 이것은 단점이자 장점입니다. 이 재료는 모든 기계적 강도를 한 방향으로 집중시킵니다. 어떤 사람들은 이 탄소 나노와이어가 우주 엘리베이터용 케이블을 만드는 데 사용될 수 있다고 상상하기도 합니다.

그림 7. 참고문헌 [5]에서 세 가지 유형의 다이아몬드 탄소 나노와이어의 영률.

6. 결론

다이아몬드 탄소 나노 와이어는 최근 엄격한 1 차원 구조와 높은 기계적 강도로 대단위 탄소 나노 물질에 합류했습니다. 연구 과정에서 강력한 컴퓨팅 성능을 통해 1 차 원리 계산을 통해 가능한 탄소 나노 와이어 원자 분자 구조를 연구하고 실험 결과의 해석을 지원하고 실험 결과를 심도있게 분석 할 수 있습니다. . 탄소 나노 와이어와 탄소 나노 구조체의 다른 흥미로운 새로운 기능은 이론적 계산과 실험적 검증을 기다리고 있습니다.

참고 문헌

1.피츠기번스, TC; Guthrie, M.; Xu, E.-s.; 크레스피, VH; 다비도프스키, SK; 코디, GD; 알렘, N.; 배딩, JV Mater. 2014, 14, 43 – 47

2.Xu, E.-s.; Lammert, PE; Crespi, VH Nano Lett. 2015, 15, 5124 – 5130

3.리, X.; 왕, T.; Duan, P.; Baldini, M.; 황, H.-T.; 첸, B.; Juhl, SJ; Koeplinger, D.; 크레스피, VH; Schmidt-Rohr, K.; 호프만, R.; 알렘, N.; Guthrie, M.; Zhang, X.; 배딩, JV Am. 화학 사회 2018, 140, 4969 – 4972

4. 첸, B.; 왕, T.; 크레스피, VH; 배딩, JV; Hoffmann, R. Chem. 이론 계산. 2018, 14, 1131 – 1140

5. Zhan, H.; Zhang, G.; 탄, VBC; 쳉, Y.; 벨, JM; Zhang, Y.-W.; Gu, Y. Nanoscale 2016, 8, 11177 – 11184