{"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\/de\/nicht-nur-die-einfuhrung-von-graphen-kohlenstoff-nanorohren-kommt-sondern-auch-neue-kohlenstoff-nanomaterialien-und-ihre-hilfsmechanismen%ef%bc%81\/","title":{"rendered":"Es werden nicht nur Graphen-Kohlenstoffnanor\u00f6hren eingef\u00fchrt, sondern auch neue Kohlenstoffnanomaterialien und ihre Hilfsmechanismen\uff01"},"content":{"rendered":"
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Es werden nicht nur Graphen-Kohlenstoffnanor\u00f6hren eingef\u00fchrt, sondern auch neue Kohlenstoffnanomaterialien und ihre Hilfsmechanismen\uff01<\/h5>\n

Fulleren, Kohlenstoffnanor\u00f6hren (CNTs, Kohlenstoffnanor\u00f6hren) und Graphene (Graphen) sind in den letzten Jahren beliebte Kohlenstoffnanomaterialien. Derzeit haben f\u00fcnf Wissenschaftler auf diesem Gebiet den Nobelpreis gewonnen. Warum sind Kohlenstoffnanomaterialien weit verbreitet? Zum Beispiel machen Fahrr\u00e4der aus Stahl mit Kohlenstofffaserzusatz aufgrund der sehr geringen Masse an Kohlenstoffatomen und der chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen oder zwischen Kohlenstoffatomen und anderen Atomen nur einen Bruchteil des Gewichts gew\u00f6hnlicher Fahrr\u00e4der aus. Sehr stark. Daher haben mit Kohlenstoffnanometern gemischte Materialien normalerweise bessere mechanische Eigenschaften und ein geringeres Gesamtgewicht.<\/p>\n

Erste Prinzipien sind in der Physik, Chemie und Materialwissenschaft weit verbreitet. Materialdesign, Materialvorhersage, Interpretationsexperimente usw. sind untrennbar mit der Berechnung der ersten Prinzipien verbunden, da das erste Prinzip von der Schr\u00f6dinger-Gleichung ausgeht und nur sehr wenige Parameter erfordert, um die meisten Materialeigenschaften des Materials sehr genau zu berechnen. In Kombination mit der adiabatischen Annahme kann damit auch die Molekulardynamik simuliert werden. Auf dem Gebiet der Kohlenstoffnanomaterialien werden h\u00e4ufig Berechnungen nach dem ersten Prinzip verwendet, da die elektronische Korrelation von Kohlenstoffatomen sehr schwach ist und die Berechnungen nach dem ersten Prinzip h\u00e4ufig sehr genaue Vorhersagen treffen k\u00f6nnen.<\/p>\n

In diesem Artikel werden einige neue Arten von Kohlenstoffnanomaterialien vorgestellt, die sich geringf\u00fcgig in der Art und Weise unterscheiden, wie Kohlenstoffatome in bekannten Fullerenen, Kohlenstoffnanor\u00f6hren und Graphen kombiniert und angeordnet werden. Diese subtilen Unterschiede k\u00f6nnen sich in den endg\u00fcltigen Materialeigenschaften widerspiegeln, k\u00f6nnen jedoch stark variieren. Ein kleiner Unterschied in der Anordnung der Kohlenstoffatome kann zu gro\u00dfen Unterschieden in den Materialeigenschaften f\u00fchren. Hier ziehen Kohlenstoffnanomaterialien viele Materialwissenschaftler, Physiker und Chemiker an.<\/p>\n

1. Hybridisierung und Dimension<\/h6>\n

Es gibt zwei M\u00f6glichkeiten, Kohlenstoffatome mit Kohlenstoffnanomaterialien zu hybridisieren: sp2 oder sp3. Im sp2-Hybridmodus bildet jedes Kohlenstoffatom drei Molek\u00fclorbitale, die gleichm\u00e4\u00dfig in einer Ebene in einem Winkel von 120 Grad verteilt sind, und eine p-Umlaufbahn au\u00dferhalb der Ebene, die allgemein als pz-Orbital bekannt ist. Die typischsten Kohlenstoffnanomaterialien Es ist ein ber\u00fchmtes Graphen. Im sp3-Hybridmodus bildet jedes Kohlenstoffatom vier Molek\u00fclorbitale, die gleichm\u00e4\u00dfig im Raum verteilt sind und ungef\u00e4hr die Form eines regelm\u00e4\u00dfigen Tetraeders vom K\u00f6rper bis zu den vier Eckpunkten bilden. Ein typisches festes Material stellt einen Diamanten dar, aber ein typischer Vertreter der Welt der Nanomaterialien ist Adamantan. Adamantan ist ein Vertreter einer ganzen Familie von Materialien, und ein Molek\u00fcl enth\u00e4lt einen Kern der Diamantstruktur. Wenn es mehrere Kerne mit Diamantstruktur enth\u00e4lt, wird diese Materialfamilie zu Diamondoid. Abbildung 1: Typische Kohlenstoffnanomaterialien, klassifiziert nach Hybridisierung (sp2, erste Reihe; oder sp3, zweite Reihe) und Materialabmessungen.<\/p>\n

\"Abbildung<\/p>\n

Das Obige ist nur eine Hybridisierung oder vielmehr eine g\u00e4ngige Wahl, die ein einzelnes Kohlenstoffatom bei der Bildung eines Nanomaterials treffen kann. Wenn viele Kohlenstoffatome zus\u00e4tzlich zur Hybridisierung kombiniert werden, k\u00f6nnen sie sich in jede Richtung ausdehnen. Ist es ein nulldimensionales Material oder ein Material mit hohem Breitengrad? Die obige Tabelle 1 listet verschiedene repr\u00e4sentative Materialien nach Hybridisierung und Dimension auf.<\/p>\n

Eindimensionale Materialien im sp3-Hybridmodus haben keine typischen. Leser, die mit einschl\u00e4giger Forschung vertraut sind, denken vielleicht an Polyethylen, aber in Bezug auf einzelne Molek\u00fcle fehlen Polyethylenmolek\u00fclen einige Regeln f\u00fcr die Konfiguration \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen oder die Reihenfolge \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen und es fehlt das Verlangen, das normalerweise in Kohlenstoffnanomaterialien besteht. Mechanische Festigkeit.<\/p>\n

2. Kohlenstoffnanodr\u00e4hte<\/h6>\n

Ist das Material unten etwas interessant? Ist es fest oder makromolek\u00fclig?<\/p>\n

\"Kohlenstoffnanodr\u00e4hte\"<\/p>\n

Diese neue Art von Kohlenstoffnanomaterial ist sowohl ein sp3-Hybrid von Kohlenstoffatomen als auch eine eindimensionale Zusammensetzung von Kohlenstoffatomen. Gleichzeitig \u00e4hneln ihre Querschnitte nicht einem herk\u00f6mmlichen linearen organischen Molek\u00fcl, sondern weisen mehrere chemische Bindungen auf. Durch den Querschnitt gehen. Dies bedeutet, dass diese Materialien hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften Diamantisolatoren nahe kommen. Sie sind herk\u00f6mmlichen linearen organischen Molek\u00fclen in ihren mechanischen Eigenschaften weit \u00fcberlegen, und ihre mechanische Festigkeit liegt nahe an der von Kohlenstoffnanor\u00f6hren oder Graphen. Theoretische Berechnungen best\u00e4tigen diese [1], sie werden Kohlenstoffnanodr\u00e4hte oder Diamantnanof\u00e4den genannt.<\/p>\n

Ist dieses neue Material mit einer seltsamen Form nur eine theoretische Erwartung oder kann es tats\u00e4chlich hergestellt werden? Es scheint, dass solche Materialien nach einem kleinen bis gro\u00dfen Prozess von der Synthese kleiner organischer Molek\u00fcle ausgehen m\u00fcssen, aber experimentell [2] durch einen Prozess von gro\u00df nach klein, ausgehend vom festen Zustand von Benzol, nach 25 GPa Hochdruck Die Rolle der urspr\u00fcnglichen chemischen sp2-Hybridbindung wird unter hohem Druck zu einer chemischen sp3-Hybridbindung, wodurch der dreidimensionale Molek\u00fclkristall in ein eindimensionales Kohlenstoffnanomaterial umgewandelt wird.<\/p>\n

Langreichweitig geordnete eindimensionale Nanodr\u00e4hte sind im Beispiel von Abbildung 2 dargestellt. In tats\u00e4chlichen Experimenten k\u00f6nnen h\u00e4ufig ungeordnete Strukturen erhalten werden. Diese Figur zeigt eine ungeordnete Struktur und die Ergebnisse der Rastertunnelmikroskopie von Kohlenstoffnanodrahtkristallen, die in Experimenten erhalten wurden.\"Langreichweitig<\/p>\n

3. Anwendung von First-Principles-Berechnungen<\/h6>\n

First-Principles-Berechnungen eignen sich gut zur Vorhersage der Materialeigenschaften. Die Kombination experimenteller Ergebnisse f\u00fchrt h\u00e4ufig zu tieferen Perspektiven f\u00fcr die Interpretation experimenteller Ergebnisse. Bei der Synthese von Diamant-Kohlenstoff-Nanodr\u00e4hten muss aufgrund der rauen experimentellen Bedingungen der hohe Druck von 25 GPa in einer sehr kleinen Diamant-Amboss-Zelle (DAC) realisiert werden, so dass der experimentellen Synthese von Materialien keine experimentellen Ergebnisse mit gro\u00dfer Reichweite vorliegen Auf den ersten Blick gibt es viele St\u00f6rungen. Die theoretischen Berechnungen k\u00f6nnen uns helfen, zu unterscheiden, ob die Zusammensetzung die neuen Materialien enth\u00e4lt, die wir erwarten.<\/p>\n

Theoretisch sind wir zu einer Kohlenstoffnanodrahtstruktur geworden. Nachdem wir durch Einf\u00fchrung der Rotation der chemischen Bindung zwischen Stein und Wales eine bestimmte St\u00f6rung hinzugef\u00fcgt haben, k\u00f6nnen wir die theoretische Berechnung verwenden, um die Relaxation der Atomposition durchzuf\u00fchren und dann die optimale Struktur mit der niedrigsten Energie zu erhalten. Genaue theoretische Berechnungen k\u00f6nnen den Abstand zwischen Atomen in einem Material angeben oder die radiale Verteilungsfunktion in einem Material berechnen. Vergleich der theoretischen Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen in Abbildung 4. Dies best\u00e4tigt nicht nur, dass die experimentelle Zusammensetzung mit der theoretischen Struktur \u00fcbereinstimmt, sondern erkennt auch, welche Atomstrukturen der Spitzenaufl\u00f6sung der experimentellen Ergebnisse entsprechen.<\/p>\n

Figure 4. Vergleich der Radialverteilungsfunktion (RDF) experimentell synthetisierter Nanodr\u00e4hte mit der simulierten Radialverteilungsfunktion theoretisch erzeugter Kohlenstoffnanodrahtstrukturen.\"Abbildung<\/p>\n

Die erste Prinzipberechnung gibt die optischen Eigenschaften des Materials an. Die Raman-Spektroskopie ist oft ein zuverl\u00e4ssiges Mittel zur Charakterisierung experimenteller Zusammensetzungen, da sie die experimentelle Zusammensetzung nicht zerst\u00f6ren muss und spektrale Peaks Aufschluss dar\u00fcber geben k\u00f6nnen, welche molekularen Schwingungsmoden Raman-Aktivit\u00e4t haben. Eine Methode zur Berechnung des Raman-Spektrums durch Dichtefunktionaltheorie besteht darin, zuerst die Dielektrizit\u00e4tskonstante des Molek\u00fcls zu berechnen und dann eine kleine Verschiebung der Atomposition entlang des Eigenmodus der molekularen Schwingung durchzuf\u00fchren, um die \u00c4nderung der Dielektrizit\u00e4tskonstante zu berechnen. Mit der fortschrittlichen Rechenleistung moderner Computer k\u00f6nnen wir jetzt leicht die Raman-Aktivit\u00e4t eines Molek\u00fcls berechnen, um zu bestimmen, welche Struktureinheiten in der experimentellen Zusammensetzung vorhanden sind. 5 zeigt eine charakteristische Struktureinheit, die in den Syntheseergebnissen von Kohlenstoffnanodr\u00e4hten durch Berechnung und Analyse der Raman-Spektroskopie enthalten ist.<\/p>\n

Figure 5. Vergleich experimenteller Raman-Spektren von Kohlenstoffnanodr\u00e4hten mit der Theorie.\"Abbildung<\/p>\n

4. Funktionalisierung<\/h6>\n

Ein wichtiges Merkmal von Kohlenstoffnanomaterialien ist die F\u00e4higkeit, ihnen verschiedene funktionelle Gruppen hinzuzuf\u00fcgen. Solange einige kleine organische Molek\u00fcle in der Herstellungsphase der synthetischen Zubereitung ersetzt werden. Bei dem Kohlenstoffnanodrahtmaterial besteht ein einfaches Verfahren darin, das Wasserstoffatom (H) im Reaktanten durch ein Chloratom (Cl) oder das Kohlenstoffatom darin durch ein Stickstoffatom (N) und ein Boratom (B) zu ersetzen. Es kann funktionalisiert werden, um seine elektronischen Eigenschaften, Phononeneigenschaften, thermischen Eigenschaften oder mechanischen Eigenschaften zu \u00e4ndern. Abbildung 6 zeigt mehrere typische Nanodrahtstrukturen, die durch Ersetzen von Kohlenwasserstoffgruppen durch Stickstoffatome gebildet werden [4].<\/p>\n

Die Studie, Benzol durch einen anf\u00e4nglichen Reaktanten zu ersetzen, der ein Stickstoffatom enth\u00e4lt, um Nanodr\u00e4hte zu synthetisieren, wird in dem Artikel ver\u00f6ffentlicht [3]. Dieser Ersatz ist ein vollst\u00e4ndiger Ersatz anstelle von Dotierung, wobei Pyridin (Pyridin, C5NH5) anstelle des Benzolrings zur Teilnahme an der Reaktion verwendet wird. Der Reaktionsprozess \u00e4hnelt immer noch der Verwendung von Hochdruck-Diamantballast, in den der sp2-Hybridkohlenstoff umgewandelt wird sp3 Hybridkohlenstoff Und vervollst\u00e4ndigen die Umwandlung kleiner Molek\u00fcle in eindimensionale Materialien.<\/p>\n

Unter Verwendung des Prinzips der ersten Prinzipien k\u00f6nnen wir mit zwei Methoden untersuchen, bei denen das Kohlenstoffnanodrahtmaterial dieser Struktur synthetisiert wird. Eine besteht darin, die Charakterisierungseigenschaften aller Kandidatenstrukturen mit Experimenten wie Raman-Spektroskopie, XRD usw. zu vergleichen. Die anderen sind nat\u00fcrlich nach ihrer Energie sortiert. Bei der Berechnung der Energie von Kohlenstoffnanodr\u00e4hten m\u00fcssen zun\u00e4chst deren Molek\u00fclstruktur und Periodizit\u00e4t optimiert werden. Dieses eindimensionale Material hat jedoch die Eigenschaft, dass es eine helikale Struktur aufweist, was einige Schwierigkeiten bei der Berechnung verursacht.<\/p>\n

Wenn Sie die Makromolek\u00fcle ersetzen, die an beiden Enden abgeschnitten sind, muss die Energieberechnung ungenau sein. Wie bestimmen Sie den Helixwinkel, wenn Sie periodische Randbedingungen verwenden? Ein praktikabler Trick besteht darin, mehrere Spiralwinkel f\u00fcr die Berechnung auszuw\u00e4hlen [2]. Jeder Winkel ist anders, was bedeutet, dass die L\u00e4nge einer strukturellen Wiederholungsperiode entlang der eindimensionalen Struktur unterschiedlich ist. Nach der Berechnung einer Anzahl verschiedener Helixwinkel wird die durchschnittliche Energie pro Struktureinheit (oder Durchschnitt pro Atom) erhalten und eine einfache quadratische Regressionsanpassung f\u00fcr den Helixwinkel durchgef\u00fchrt. Die implizite Annahme einer quadratischen Regressionsanpassung ist, dass der Effekt zwischen zwei benachbarten Strukturelementen ungef\u00e4hr federartig ist. Obwohl dies keine vollst\u00e4ndig zutreffende Hypothese ist, kann sie dennoch die Hauptkraft zwischen benachbarten Einheiten erfassen, da in Kohlenstoffnanomaterialien kovalente Bindungskr\u00e4fte zwischen benachbarten Atomen und benachbarten Struktureinheiten verwendet werden. Das Hookesche Gesetz des Fr\u00fchlings ist ungef\u00e4hr.<\/p>\n

Figure 6. Vier typische Diamant-Kohlenstoff-Nanodr\u00e4hte, die mit Stickstoffatomen aus der Literatur verziert sind [4]<\/p>\n

\"Figure<\/p>\n

5. Mechanische St\u00e4rke<\/h6>\n

Kohlenstoffnanomaterialien haben viele wunderbare elektrische Eigenschaften, aber jetzt sind sie in ihrer mechanischen Leichtigkeit weit verbreitet: leichte Atome, starke Bindung. Kohlenstoffnanodr\u00e4hte haben die Grundeinheit Diamanten. Werden sie auch genug Kraft haben? Einfach gesagt, ja. Wie in Abbildung 7 gezeigt, zeigen die Berechnungen, dass die Kohlenstoffnanodr\u00e4hte einen Elastizit\u00e4tsmodul zwischen 800 und 930 GPa aufweisen, der mit nat\u00fcrlichen Diamanten (1220 GPa) vergleichbar ist. Nat\u00fcrlich ist die mechanische Festigkeit dieses eindimensionalen Materials gerichtet. Dies ist sowohl ein Nachteil als auch ein Vorteil: Dieses Material konzentriert alle mechanischen Festigkeiten in einer Richtung. Einige stellen sich sogar vor, dass aus diesem Kohlenstoffnanodraht ein Kabel f\u00fcr einen Weltraumaufzug hergestellt werden kann.<\/p>\n

Figure 7. Elastizit\u00e4tsmodul von drei verschiedenen Arten von Diamant-Kohlenstoff-Nanodr\u00e4hten aus Lit. [5].\"Figure<\/p>\n

6. Schlussfolgerung<\/p>\n

Diamant-Kohlenstoff-Nanodr\u00e4hte haben sich k\u00fcrzlich der gro\u00dfen Familie von Kohlenstoff-Nanomaterialien mit einer strengen eindimensionalen Struktur und einer hohen mechanischen Festigkeit angeschlossen. Im Forschungsprozess kann mithilfe einer leistungsstarken Rechenleistung durch die Berechnung der ersten Prinzipien die m\u00f6gliche atomare Molek\u00fclstruktur von Kohlenstoffnanodr\u00e4hten untersucht, die Interpretation experimenteller Ergebnisse unterst\u00fctzt und die experimentellen Ergebnisse eingehend analysiert werden . Kohlenstoffnanodr\u00e4hte sowie viele andere interessante neue Merkmale von Kohlenstoffnanostrukturen warten auf weitere theoretische Berechnungen und experimentelle Verifizierungen.<\/p>\n

Verweise<\/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. Theorie Comput. 2018, 14, 1131\u20131140<\/p>\n

5. Zhan, H.; Zhang, G.; Tan, VBC; Cheng, Y.; Bell, JM; Zhang, Y.-W.; Gu, Y. Nanoscale 2016, 8, 11177\u201311184<\/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":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[92],"tags":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2907"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2907"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2907\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2907"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2907"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2907"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}