Sadece grafen karbon nanotüplerinin tanıtımı değil, aynı zamanda yeni karbon nanomalzemeleri ve yardımcı mekanizmaları da geliyor!

Fulleren, karbon nanotüpler (CNT'ler, Karbon Nanotüpler) ve grafenler (Grafen) son yıllarda popüler karbon nanomalzemeleridir. Şu anda, beş bilim adamı bu alanda Nobel Ödülü'nü kazandı. Karbon nanomalzemeleri neden yaygın olarak aranmaktadır? Örneğin, karbon fiber katkılı çelikten yapılan bisikletler, çok küçük karbon atomları kütlesi ve karbon atomları arasındaki veya karbon atomları ve diğer atomlar arasındaki kimyasal bağlar nedeniyle sıradan bisikletlerin ağırlığının sadece bir kısmıdır. Çok güçlü. Bu nedenle, karbon nanometrelerle karıştırılan malzemeler genellikle daha iyi mekanik özelliklere ve daha hafif toplam ağırlığa sahiptir.

İlk prensipler fizik, kimya ve malzeme biliminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Malzeme tasarımı, malzeme tahmini, yorumlama deneyleri, vs. ilk prensiplerin hesaplanmasından ayrılamaz, çünkü ilk prensip Schrödinger denkleminden başlar ve materyalin malzeme özelliklerinin çoğunu çok doğru bir şekilde hesaplamak için çok az parametre gerektirir; Adyabatik varsayım ile daha da birleştirildiğinde, moleküler dinamikleri simüle etmek için de kullanılabilir. Karbon nanomalzemeleri alanında, karbon atomlarının elektronik korelasyonu çok zayıf olduğu için ilk prensip hesaplamaları yaygın olarak kullanılmaktadır ve ilk prensip hesaplamaları genellikle çok doğru tahminlerde bulunabilir.

Bu makale, karbon atomlarının iyi bilinen fullerenler, karbon nanotüpler ve grafende bir araya getirilip düzenlenme biçiminde biraz farklı olan bazı yeni karbon nanomalzemelerini tanıtacaktır. Bu ince farklılıklar nihai malzeme özelliklerine yansıtılabilir, ancak büyük ölçüde değişebilir. Karbon atomlarının düzenlenmesindeki küçük bir fark, karbon nanomalzemelerinin birçok malzeme bilim insanını, fizikçiyi ve kimyacıyı çektiği malzeme özelliklerinde büyük farklılıklara dönüşebilir.

1. hibridizasyon ve boyut

Karbon atomlarını karbon nanomalzemelerine hibritlemenin iki ana yolu vardır: sp2 veya sp3. Sp2 hibrid modunda, her karbon atomu, bir düzlemde 120 derecelik bir açıyla eşit olarak dağılmış üç moleküler orbital ve yaygın olarak pz orbital olarak bilinen düzlem dışı bir p-yörünge oluşturur; en tipik karbon nanomalzemeleri Ünlü bir grafendir. Sp3 hibrid modunda, her karbon atomu uzayda eşit olarak dağıtılan dört moleküler orbital oluşturur ve kabaca vücuttan dört köşeye düzenli bir tetrahedron şekli oluşturur. Tipik bir katı malzeme bir pırlantayı temsil eder, ancak nanomalzemeler dünyasının tipik bir temsilcisi Adamantane'dir. Adamantane bütün bir malzeme ailesinin temsilcisidir ve bir molekül elmas yapısının bir çekirdeğini içerir. Birden fazla elmas yapı çekirdeği içeriyorsa, bu malzeme ailesi Diamondoid olacaktır. Şekil 1: Hibridizasyon (sp2, ilk sıra; veya sp3, ikinci sıra) ve malzeme boyutlarına göre sınıflandırılan tipik karbon nanomalzemeleri.

Şekil 1

Yukarıdakiler sadece hibridizasyon veya daha ziyade bir nanomateryal oluştururken tek bir karbon atomunun yapabileceği ana akım bir seçimdir. Birçok karbon atomu birleştirildiğinde, hibridizasyona ek olarak, herhangi bir yönde genişlemeyi seçebilirler. Sıfır boyutlu bir malzeme mi yoksa yüksek enlemli bir malzeme mi? Yukarıdaki grafik 1 hibridizasyon ve boyuta göre çeşitli temsili malzemeleri listelemektedir.

Sp3 hibrit moddaki tek boyutlu malzemeler tipik değildir. İlgili araştırmaya aşina olan okuyucular Polietilen'i düşünebilir, ancak tek tek moleküller açısından, polietilen molekülleri bazı uzun menzilli yapılandırma kuralları veya uzun menzilli sıradan yoksundur ve genellikle karbon nanomalzemelerindeki isteklerden yoksundur. Mekanik dayanım.

2. karbon nanotelleri

Aşağıdaki malzemeye baktığımızda biraz ilginç mi? Katı mı yoksa makromolekül mü?

karbon nanotelleri

Bu yeni tip karbon nanomalzeme hem karbon atomlarının bir sp3 hibrididir hem de tek boyutlu bir karbon atomu bileşimidir. Aynı zamanda, enine kesitleri geleneksel bir doğrusal organik molekül gibi değildir, ancak çoklu kimyasal bağlara sahiptir. Kesitten geçin. Bu, bu malzemelerin elektronik özellikler açısından elmas izolatörlere yakın olduğu anlamına gelir. Geleneksel doğrusal organik moleküllere göre mekanik özelliklerde çok daha üstündürler ve mekanik mukavemetleri karbon nanotüplere veya grafeninkine yakındır. Teorik hesaplamalar bunları doğrular [1], bunlara karbon nanotelleri veya elmas nanotelleri denir.

Tuhaf bir şekle sahip bu yeni malzeme sadece teorik bir beklenti mi, yoksa gerçekten hazırlanabilir mi? Bu tür malzemelerin küçük ila büyük bir işlemden sonra küçük organik moleküllerin sentezinden başlaması gerekir, ancak deneysel olarak [2] 25GPa yüksek basınçtan sonra benzenin katı durumundan başlayarak büyükten küçüğe bir işlemden geçer. orijinal sp2 hibrit kimyasal bağın rolü, yüksek basınç altında bir sp3 hibrit kimyasal bağ haline gelir, böylece üç boyutlu moleküler kristali tek boyutlu bir karbon nanomalzemesine dönüştürür.

Uzun menzilli sıralı tek boyutlu nanoteller Şekil 2'deki örnekte gösterilmiştir; sıralanmamış yapılar genellikle gerçek deneylerde elde edilebilir. Bu şekil düzensiz bir yapı ve deneylerde elde edilen karbon nanotel kristallerinin tarama tünel mikroskopisinin sonuçlarını göstermektedir.Uzun menzilli sıralı tek boyutlu nanoteller

3.İlk ilke hesaplamalarını uygulama

İlk prensip hesaplamaları malzemelerin özelliklerini tahmin etmede iyi sonuç verir. Deneysel sonuçların birleştirilmesi genellikle deneysel sonuçların yorumlanması konusunda daha derinlemesine perspektiflere yol açar. Elmas karbon nanotellerinin sentezinde, sert deney koşulları nedeniyle, 25GPa'nın yüksek basıncının çok küçük bir elmas örs hücresinde (DAC) gerçekleştirilmesi gerekir, bu nedenle malzemelerin deneysel sentezi uzun menzilli sıra, deneysel sonuçlardan yoksun ilk bakışta çok fazla parazit karışması var. Teorik hesaplamalar, kompozisyonun beklediğimiz yeni malzemeleri içerip içermediğini ayırt etmemize yardımcı olabilir.

Teorik olarak, bir karbon nanotel yapısı haline geldik. Stone-Wales kimyasal bağ rotasyonunu ekleyerek belirli bir bozukluğu ekledikten sonra, atomik pozisyon gevşemesini yapmak için teorik hesaplamayı kullanabilir ve daha sonra en düşük enerjiye sahip optimum yapıyı elde edebiliriz. Doğru teorik hesaplamalar, bir malzemedeki atomlar arasındaki mesafeyi verebilir veya bir malzemedeki radyal dağılım işlevini hesaplayabilir. Teorik sonuçların Şekil 4'teki deneysel sonuçlarla karşılaştırılması Sadece deneysel kompozisyonun teorik yapı ile uyumlu olduğunu doğrulamakla kalmaz, aynı zamanda hangi atomik yapıların deneysel sonuçların tepe çözünürlüğüne karşılık geldiğini de saptar.

Şekil 4. Deneysel olarak sentezlenmiş nanotellerin radyal dağılım fonksiyonunun (RDF) teorik olarak üretilen karbon nanotel yapılarının simüle radyal dağılım fonksiyonu ile karşılaştırılması.Şekil 4. Radyal dağılım işlevinin karşılaştırılması

İlk prensip hesaplaması malzemenin optik özelliklerini verir. Raman spektroskopisi genellikle deneysel bileşimleri karakterize etmek için güvenilir bir araçtır, çünkü deneysel bileşimi yok etmek zorunda değildir ve spektral pikler bize hangi moleküler titreşim modlarının Raman aktivitesine sahip olduğunu söyleyebilir. Yoğunluk fonksiyonel teorisi ile Raman spektrumunu hesaplamanın bir yöntemi, önce molekülün dielektrik sabitini hesaplamak ve daha sonra dielektrik sabitinin değişimini hesaplamak için moleküler titreşimin öz modu boyunca atom pozisyonunun küçük bir yer değiştirmesini yapmaktır. Modern bilgisayarların gelişmiş hesaplama gücü ile, deneysel kompozisyonda hangi yapısal birimlerin mevcut olduğunu belirlemek için artık bir molekülün Raman aktivitesini kolayca hesaplayabiliriz. Şekil 5, Raman spektroskopisinin hesaplanması ve analizi ile karbon nanotellerinin sentez sonuçlarına dahil edilen karakteristik bir yapısal birimi göstermektedir.

Şekil 5. Karbon nanotellerinin deneysel Raman spektrumlarının teori ile karşılaştırılması.şekil 5

4. İşlevselleştirme

Karbon nanomalzemelerinin önemli bir özelliği, bunlara çeşitli fonksiyonel gruplar ekleme yeteneğidir. Bazı küçük organik moleküller, sentetik preparatın hazırlık aşamasında değiştirildiği sürece. Karbon nanotel malzemesinde, basit bir yöntem, reaktan içindeki hidrojen atomunun (H) bir klor atomu (Cl) ile değiştirilmesini veya içindeki karbon atomunun bir azot atomu (N) ve bir bor atomu (B) ile değiştirilmesini içerir. Elektronik özelliklerini, fonon özelliklerini, termal özelliklerini veya mekanik özelliklerini değiştirmek için işlevselleştirilebilir. Şekil 6, hidrokarbon gruplarının azot atomları ile değiştirilmesiyle oluşturulan birkaç tipik nanotel yapısını göstermektedir [4].

Nanenin sentezlenmesi için bir azot atomu içeren bir başlangıç reaktanı ile benzenin değiştirilmesi çalışması makalede yayınlanmıştır [3]. Bu değiştirme, reaksiyona katılmak için benzen halkası yerine piridin (piridin, C5NH5) kullanarak doping yerine tam bir değiştirmedir, reaksiyon işlemi hala yüksek basınçlı elmas balast kullanımına benzerdir, sp2 hibrid karbon dönüştürülür sp3 hibrit karbon Ve küçük moleküllerin tek boyutlu malzemelere dönüşümünü tamamlayın.

İlk prensipler prensibini kullanarak, bu yapının karbon nanotel malzemesinin sentezlendiği iki yöntemle çalışabiliriz. Birincisi, tüm aday yapıların karakterizasyon özelliklerini Raman spektroskopisi, XRD ve benzeri deneylerle karşılaştırmaktır. Diğeri doğal olarak enerjilerine göre sıralanır. Karbon nanotellerinin enerjisini hesaplarken, önce moleküler yapıları ve periyodiklikleri optimize edilmelidir. Bununla birlikte, bu tek boyutlu malzeme, hesaplamada bazı zorluklar yaratan sarmal bir yapıya sahip olma özelliğine sahiptir.

Her iki uçtan kesilmiş makromolekülleri değiştirirseniz, enerji hesaplaması yanlış olmalıdır; periyodik sınır koşulları kullanırsanız, sarmal açısını nasıl belirliyorsunuz? Mümkün olan bir püf noktası, hesaplama için birkaç sarmal açı seçmektir [2]. Her açı farklıdır, yani yapısal bir tekrar periyodunun uzunluğu tek boyutlu yapı boyunca farklıdır. Bir dizi farklı sarmal açı hesaplandıktan sonra, yapısal birim başına ortalama enerji (veya atom başına ortalama) elde edilir ve sarmal açısı üzerinde basit bir kuadratik regresyon uyumu gerçekleştirilir. İkinci dereceden regresyon bağlantısının örtülü varsayımı, iki bitişik yapısal eleman arasındaki etkinin yaklaşık olarak yay gibi olmasıdır. Bu tamamen doğru bir hipotez olmamasına rağmen, bitişik birimler arasındaki ana kuvveti yakalayabilir, çünkü karbon nanomalzemelerinde bitişik atomlar ve bitişik yapısal birimler arasındaki kovalent bağ kuvvetleri kullanılır. Hooke'un bahar yasası yaklaşıktır.

Şekil 6. Literatürden azot atomları ile süslenmiş dört tipik elmas karbon nanoteli [4]

Şekil 6. Literatürden azot atomları ile süslenmiş dört tipik elmas karbon nanotel

5. mekanik mukavemet

Karbon nanomalzemelerinin birçok harika elektriksel özelliği vardır, ancak şimdi mekanik hafifliklerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar: hafif atomlar, güçlü bağlanma. Karbon nanotelleri temel elmas birimine sahiptir. Ayrıca yeterli güce sahip olacaklar mı? Basitçe söylemek gerekirse, evet. Şekil 7'de gösterildiği gibi, hesaplamalar karbon nanotellerinin 800 ile 930 GPa arasında bir Young modülüne sahip olduğunu göstermektedir ki bu doğal elmaslarla (1220 GPa) karşılaştırılabilir. Tabii ki, bu tek boyutlu malzemenin mekanik mukavemeti yönlüdür. Bu hem bir dezavantaj hem de bir avantajdır: bu malzeme tüm mekanik güçleri tek bir yönde yoğunlaştırır. Bazıları, bu karbon nanotelinin bir uzay asansörü için bir kablo yapmak için kullanılabileceğini düşünüyor.

Şekil 7. Young'ın referans olarak üç farklı tipte elmas karbon nanoteli modülü [5].Şekil 7. Üç farklı tipte elmas karbon nanotelinin referanstan genç ve #039 modülü

6. Sonuç

Elmas karbon nanotelleri son zamanlarda sıkı bir boyutlu yapı ve yüksek mekanik mukavemete sahip büyük karbon nanomalzeme ailesine katıldı. Araştırma sürecinde, güçlü hesaplama gücü yardımıyla, ilk prensiplerin hesaplanmasıyla, olası karbon nanotel atomik moleküler yapısı incelenebilir ve deneysel sonuçların yorumlanmasına yardımcı olunabilir ve deneysel sonuçlar derinlemesine analiz edilebilir. . Karbon nanotelleri ve karbon nanoyapıların diğer birçok ilginç yeni özelliği, daha teorik hesaplamalar ve keşfetmek için deneysel doğrulama beklemektedir.

Referanslar

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. Teori Bilgisayar 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

 

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

tr_TRTürkçe