{"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\/fr\/non-seulement-lintroduction-des-nanotubes-de-carbone-graphene-vient-mais-aussi-de-nouveaux-nanomateriaux-de-carbone-et-de-leurs-mecanismes-auxiliaires%ef%bc%81\/","title":{"rendered":"Non seulement l'introduction de nanotubes de carbone graph\u00e8ne arrive, mais aussi de nouveaux nanomat\u00e9riaux de carbone et leurs m\u00e9canismes auxiliaires\uff01"},"content":{"rendered":"
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Non seulement l'introduction de nanotubes de carbone graph\u00e8ne arrive, mais aussi de nouveaux nanomat\u00e9riaux de carbone et leurs m\u00e9canismes auxiliaires\uff01<\/h5>\n

Le fuller\u00e8ne, les nanotubes de carbone (NTC, nanotubes de carbone) et les graph\u00e8nes (graph\u00e8ne) sont des nanomat\u00e9riaux de carbone populaires ces derni\u00e8res ann\u00e9es. Actuellement, cinq scientifiques ont remport\u00e9 le prix Nobel dans ce domaine. Pourquoi les nanomat\u00e9riaux de carbone sont-ils largement recherch\u00e9s? Par exemple, les v\u00e9los en acier \u00e0 fibres de carbone ajout\u00e9es ne repr\u00e9sentent qu'une fraction du poids des v\u00e9los ordinaires en raison de la tr\u00e8s petite masse d'atomes de carbone et des liaisons chimiques entre les atomes de carbone ou entre les atomes de carbone et les autres atomes. Tr\u00e8s fort. Par cons\u00e9quent, les mat\u00e9riaux m\u00e9lang\u00e9s \u00e0 des nanom\u00e8tres de carbone ont g\u00e9n\u00e9ralement de meilleures propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques et un poids global plus l\u00e9ger.<\/p>\n

Les premiers principes sont largement utilis\u00e9s en physique, chimie et science des mat\u00e9riaux. La conception des mat\u00e9riaux, la pr\u00e9diction des mat\u00e9riaux, les exp\u00e9riences d'interpr\u00e9tation, etc. sont indissociables du calcul des premiers principes, car le premier principe part de l'\u00e9quation de Schr\u00f6dinger et n\u00e9cessite tr\u00e8s peu de param\u00e8tres pour calculer la plupart des propri\u00e9t\u00e9s du mat\u00e9riau du mat\u00e9riau de mani\u00e8re tr\u00e8s pr\u00e9cise; En outre combin\u00e9 avec l'hypoth\u00e8se adiabatique, il peut \u00e9galement \u00eatre utilis\u00e9 pour simuler la dynamique mol\u00e9culaire. Dans le domaine des nanomat\u00e9riaux de carbone, les calculs des premiers principes sont largement utilis\u00e9s car la corr\u00e9lation \u00e9lectronique des atomes de carbone est tr\u00e8s faible, et les calculs des premiers principes peuvent souvent faire des pr\u00e9dictions tr\u00e8s pr\u00e9cises.<\/p>\n

Cet article pr\u00e9sentera de nouveaux types de nanomat\u00e9riaux de carbone qui diff\u00e8rent l\u00e9g\u00e8rement dans la fa\u00e7on dont les atomes de carbone sont combin\u00e9s et dispos\u00e9s dans des fuller\u00e8nes, des nanotubes de carbone et du graph\u00e8ne bien connus. Ces diff\u00e9rences subtiles peuvent se refl\u00e9ter dans les propri\u00e9t\u00e9s finales du mat\u00e9riau mais peuvent varier consid\u00e9rablement. Une petite diff\u00e9rence dans la disposition des atomes de carbone peut se traduire par de grandes diff\u00e9rences dans les propri\u00e9t\u00e9s des mat\u00e9riaux, c'est l\u00e0 que les nanomat\u00e9riaux de carbone attirent de nombreux scientifiques, physiciens et chimistes des mat\u00e9riaux.<\/p>\n

1. hybridation et dimension<\/h6>\n

Il existe deux fa\u00e7ons principales d'hybrider des atomes de carbone \u00e0 des nanomat\u00e9riaux de carbone: sp2 ou sp3. Dans le mode hybride sp2, chaque atome de carbone forme trois orbitales mol\u00e9culaires uniform\u00e9ment r\u00e9parties dans un plan \u00e0 un angle de 120 degr\u00e9s et une orbite p hors plan, commun\u00e9ment appel\u00e9e orbite pz; les nanomat\u00e9riaux de carbone les plus typiques C'est un graph\u00e8ne c\u00e9l\u00e8bre. Dans le mode hybride sp3, chaque atome de carbone forme quatre orbitales mol\u00e9culaires qui sont uniform\u00e9ment r\u00e9parties dans l'espace, formant grossi\u00e8rement la forme d'un t\u00e9tra\u00e8dre r\u00e9gulier du corps aux quatre sommets. Un mat\u00e9riau solide typique repr\u00e9sente un diamant, mais un repr\u00e9sentant typique du monde des nanomat\u00e9riaux est l'adamantane. L'adamantane est un repr\u00e9sentant de toute une famille de mat\u00e9riaux, et une mol\u00e9cule contient un noyau de la structure du diamant. S'il contient plusieurs noyaux de structure en diamant, cette famille de mat\u00e9riaux deviendra Diamondoid. Figure 1: Nanomat\u00e9riaux de carbone typiques class\u00e9s en fonction de l'hybridation (sp2, premi\u00e8re rang\u00e9e; ou sp3, deuxi\u00e8me rang\u00e9e) et des dimensions du mat\u00e9riau.<\/p>\n

\"Figure<\/p>\n

Ce qui pr\u00e9c\u00e8de n'est qu'une hybridation, ou plut\u00f4t, un choix courant qu'un seul atome de carbone peut faire lors de la formation d'un nanomat\u00e9riau. Lorsque de nombreux atomes de carbone sont combin\u00e9s, en plus de l'hybridation, ils peuvent choisir de se dilater dans n'importe quelle direction. Est-ce un mat\u00e9riau de dimension z\u00e9ro ou un mat\u00e9riau de haute latitude? Le tableau 1 ci-dessus r\u00e9pertorie divers mat\u00e9riaux repr\u00e9sentatifs selon l'hybridation et la dimension.<\/p>\n

Les mat\u00e9riaux unidimensionnels en mode hybride sp3 manquent d'un typique. Les lecteurs familiers avec la recherche pertinente peuvent penser au poly\u00e9thyl\u00e8ne, mais en termes de mol\u00e9cules individuelles, les mol\u00e9cules de poly\u00e9thyl\u00e8ne manquent de r\u00e8gles de configuration \u00e0 long terme, ou d'ordre \u00e0 longue port\u00e9e, et manquent des envies habituellement dans les nanomat\u00e9riaux de carbone. Force m\u00e9canique.<\/p>\n

2 nanofils de carbone<\/h6>\n

En regardant le mat\u00e9riel ci-dessous, est-ce un peu int\u00e9ressant? Est-ce solide ou macromol\u00e9cule?<\/p>\n

\"nanofils<\/p>\n

Ce nouveau type de nanomat\u00e9riau de carbone est \u00e0 la fois un hybride sp3 d'atomes de carbone et une composition unidimensionnelle d'atomes de carbone. Dans le m\u00eame temps, leurs sections efficaces ne sont pas comme une mol\u00e9cule organique lin\u00e9aire traditionnelle, mais ont de multiples liaisons chimiques. Traversez la section transversale. Cela signifie que ces mat\u00e9riaux sont proches des isolants diamant en termes de propri\u00e9t\u00e9s \u00e9lectroniques. Ils sont de loin sup\u00e9rieurs en propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques aux mol\u00e9cules organiques lin\u00e9aires traditionnelles, et leur r\u00e9sistance m\u00e9canique est proche de celle des nanotubes de carbone ou du graph\u00e8ne. Les calculs th\u00e9oriques confirment ces [1], ils sont appel\u00e9s nanofils de carbone, ou nanofils de diamant.<\/p>\n

Ce nouveau mat\u00e9riel avec une forme \u00e9trange n'est-il qu'une attente th\u00e9orique, ou peut-il \u00eatre r\u00e9ellement pr\u00e9par\u00e9? Il semble que de tels mat\u00e9riaux doivent partir de la synth\u00e8se de petites mol\u00e9cules organiques, apr\u00e8s un processus petit \u00e0 grand, mais exp\u00e9rimentalement [2] passe par un processus de grande \u00e0 petite, \u00e0 partir de l'\u00e9tat solide du benz\u00e8ne, apr\u00e8s une pression \u00e9lev\u00e9e de 25GPa. le r\u00f4le de la liaison chimique hybride sp2 d'origine devient une liaison chimique hybride sp3 sous haute pression, transformant ainsi le cristal mol\u00e9culaire tridimensionnel en un nanomat\u00e9riau de carbone unidimensionnel.<\/p>\n

Les nanofils unidimensionnels ordonn\u00e9s \u00e0 longue port\u00e9e sont illustr\u00e9s dans l'exemple de la figure 2; des structures non ordonn\u00e9es peuvent souvent \u00eatre obtenues dans des exp\u00e9riences r\u00e9elles. Cette figure montre une structure d\u00e9sordonn\u00e9e et les r\u00e9sultats de la microscopie \u00e0 effet tunnel des cristaux de nanofils de carbone obtenus lors d'exp\u00e9riences.\"Nanofils<\/p>\n

3.Application des calculs des premiers principes<\/h6>\n

Les calculs des premiers principes permettent de bien pr\u00e9dire les propri\u00e9t\u00e9s des mat\u00e9riaux. La combinaison des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux conduit souvent \u00e0 des perspectives plus approfondies sur l'interpr\u00e9tation des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux. Dans la synth\u00e8se des nanofils de carbone de diamant, en raison des conditions exp\u00e9rimentales difficiles, la haute pression de 25GPa doit \u00eatre r\u00e9alis\u00e9e dans une tr\u00e8s petite cellule \u00e0 enclume de diamant (DAC), de sorte que la synth\u00e8se exp\u00e9rimentale des mat\u00e9riaux manque d'ordre \u00e0 long terme, les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux \u00e0 \u00e0 premi\u00e8re vue, il y a beaucoup d'interf\u00e9rences de d\u00e9sordre. Les calculs th\u00e9oriques peuvent nous aider \u00e0 distinguer si la composition contient les nouveaux mat\u00e9riaux que nous attendons.<\/p>\n

En th\u00e9orie, nous sommes devenus une structure en nanofils de carbone. Apr\u00e8s avoir ajout\u00e9 un certain d\u00e9sordre en introduisant la rotation de la liaison chimique Stone-Wales, nous pouvons utiliser le calcul th\u00e9orique pour effectuer la relaxation de la position atomique, puis obtenir la structure optimale avec l'\u00e9nergie la plus faible. Des calculs th\u00e9oriques pr\u00e9cis peuvent donner la distance entre les atomes dans un mat\u00e9riau ou calculer la fonction de distribution radiale dans un mat\u00e9riau. La comparaison des r\u00e9sultats th\u00e9oriques avec les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux de la figure 4. Elle confirme non seulement que la composition exp\u00e9rimentale est en accord avec la structure th\u00e9orique, mais discerne \u00e9galement quelles structures atomiques correspondent \u00e0 la r\u00e9solution maximale des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux.<\/p>\n

Figure 4. Comparaison de la fonction de distribution radiale (RDF) de nanofils synth\u00e9tis\u00e9s exp\u00e9rimentalement avec la fonction de distribution radiale simul\u00e9e de structures de nanofils de carbone th\u00e9oriquement g\u00e9n\u00e9r\u00e9es.\"Figure<\/p>\n

Le premier calcul de principe donne les propri\u00e9t\u00e9s optiques du mat\u00e9riau. La spectroscopie Raman est souvent un moyen fiable de caract\u00e9riser les compositions exp\u00e9rimentales car elle n'a pas \u00e0 d\u00e9truire la composition exp\u00e9rimentale, et les pics spectraux peuvent nous dire quels modes de vibration mol\u00e9culaire ont une activit\u00e9 Raman. Une m\u00e9thode de calcul du spectre Raman par la th\u00e9orie fonctionnelle de la densit\u00e9 consiste \u00e0 calculer d'abord la constante di\u00e9lectrique de la mol\u00e9cule, puis \u00e0 effectuer un petit d\u00e9placement de la position de l'atome le long du mode propre de la vibration mol\u00e9culaire pour calculer la variation de la constante di\u00e9lectrique. Avec la puissance de calcul avanc\u00e9e des ordinateurs modernes, nous pouvons maintenant facilement calculer l'activit\u00e9 Raman d'une mol\u00e9cule pour d\u00e9terminer quelles unit\u00e9s structurelles sont pr\u00e9sentes dans la composition exp\u00e9rimentale. La figure 5 montre une unit\u00e9 structurale caract\u00e9ristique incluse dans les r\u00e9sultats de synth\u00e8se des nanofils de carbone par calcul et analyse de la spectroscopie Raman.<\/p>\n

Figure 5. Comparaison des spectres Raman exp\u00e9rimentaux des nanofils de carbone avec la th\u00e9orie.\"figure<\/p>\n

4. Fonctionnalisation<\/h6>\n

Une caract\u00e9ristique importante des nanomat\u00e9riaux de carbone est la possibilit\u00e9 de leur ajouter divers groupes fonctionnels. Tant que certaines petites mol\u00e9cules organiques sont remplac\u00e9es au stade de la pr\u00e9paration de la pr\u00e9paration synth\u00e9tique. Dans le mat\u00e9riau en nanofils de carbone, une m\u00e9thode simple consiste \u00e0 remplacer l'atome d'hydrog\u00e8ne (H) dans le r\u00e9actif par un atome de chlore (Cl), ou \u00e0 remplacer l'atome de carbone qu'il contient par un atome d'azote (N) et un atome de bore (B). Il peut \u00eatre fonctionnalis\u00e9 pour modifier ses propri\u00e9t\u00e9s \u00e9lectroniques, phoniques, thermiques ou m\u00e9caniques. La figure 6 montre plusieurs structures de nanofils typiques form\u00e9es en rempla\u00e7ant les groupes hydrocarbon\u00e9s par des atomes d'azote [4].<\/p>\n

L'\u00e9tude de remplacement du benz\u00e8ne par un r\u00e9actif initial contenant un atome d'azote pour synth\u00e9tiser des nanofils est publi\u00e9e dans l'article [3]. Ce remplacement est un remplacement complet au lieu du dopage, en utilisant de la pyridine (pyridine, C5NH5) au lieu du cycle benz\u00e9nique pour participer \u00e0 la r\u00e9action, le processus de r\u00e9action est toujours similaire \u00e0 l'utilisation de ballast de diamant \u00e0 haute pression, le carbone hybride sp2 est converti en sp3 hybride carbone Et compl\u00e8te la transformation de petites mol\u00e9cules en mat\u00e9riaux unidimensionnels.<\/p>\n

En utilisant le principe des premiers principes, nous pouvons \u00e9tudier par deux m\u00e9thodes, dans lesquelles le mat\u00e9riau en nanofils de carbone de cette structure est synth\u00e9tis\u00e9. La premi\u00e8re consiste \u00e0 comparer les propri\u00e9t\u00e9s de caract\u00e9risation de toutes les structures candidates avec des exp\u00e9riences, telles que la spectroscopie Raman, XRD, etc. L'autre est naturellement tri\u00e9 par leur \u00e9nergie. Lors du calcul de l'\u00e9nergie des nanofils de carbone, leur structure mol\u00e9culaire et leur p\u00e9riodicit\u00e9 doivent d'abord \u00eatre optimis\u00e9es. Cependant, ce mat\u00e9riau unidimensionnel a la particularit\u00e9 d'avoir une structure h\u00e9lico\u00efdale, ce qui cr\u00e9e des difficult\u00e9s de calcul.<\/p>\n

Si vous remplacez les macromol\u00e9cules tronqu\u00e9es aux deux extr\u00e9mit\u00e9s, le calcul d'\u00e9nergie doit \u00eatre inexact; si vous utilisez des conditions aux limites p\u00e9riodiques, comment d\u00e9terminez-vous l'angle d'h\u00e9lice? Une astuce possible consiste \u00e0 s\u00e9lectionner plusieurs angles d'h\u00e9lice pour le calcul [2]. Chaque angle est diff\u00e9rent, ce qui signifie que la longueur d'une p\u00e9riode de r\u00e9p\u00e9tition structurelle est diff\u00e9rente le long de la structure unidimensionnelle. Apr\u00e8s avoir calcul\u00e9 un certain nombre d'angles d'h\u00e9lice diff\u00e9rents, l'\u00e9nergie moyenne par unit\u00e9 structurale (ou moyenne par atome) est obtenue, et un ajustement de r\u00e9gression quadratique simple est effectu\u00e9 sur l'angle d'h\u00e9lice. L'hypoth\u00e8se implicite de l'ajustement de r\u00e9gression quadratique est que l'effet entre deux \u00e9l\u00e9ments structuraux adjacents est approximativement semblable \u00e0 un ressort. Bien que ce ne soit pas une hypoth\u00e8se tout \u00e0 fait vraie, elle peut toujours capturer la force principale entre les unit\u00e9s adjacentes, car dans les nanomat\u00e9riaux de carbone, des forces de liaison covalentes entre les atomes adjacents et les unit\u00e9s structurales adjacentes sont utilis\u00e9es. La loi de Hooke du printemps est approximative.<\/p>\n

Figure 6. Quatre nanofils de carbone de diamant typiques d\u00e9cor\u00e9s d'atomes d'azote de la litt\u00e9rature [4]<\/p>\n

\"Figure<\/p>\n

5. r\u00e9sistance m\u00e9canique<\/h6>\n

Les nanomat\u00e9riaux de carbone ont beaucoup de merveilleuses propri\u00e9t\u00e9s \u00e9lectriques, mais maintenant ils sont largement utilis\u00e9s dans leur l\u00e9g\u00e8ret\u00e9 m\u00e9canique: atomes l\u00e9gers, forte liaison. Les nanofils de carbone ont l'unit\u00e9 de base des diamants. Auront-ils \u00e9galement assez de force? Autrement dit, oui. Comme le montre la figure 7, les calculs montrent que les nanofils de carbone ont un module d'Young compris entre 800 et 930 GPa, ce qui est comparable aux diamants naturels (1220 GPa). Bien entendu, la r\u00e9sistance m\u00e9canique de ce mat\u00e9riau unidimensionnel est directionnelle. C'est \u00e0 la fois un inconv\u00e9nient et un avantage: ce mat\u00e9riau concentre toutes les r\u00e9sistances m\u00e9caniques dans une seule direction. Certains imaginent m\u00eame que ce nanofil de carbone peut \u00eatre utilis\u00e9 pour fabriquer un c\u00e2ble pour un ascenseur spatial.<\/p>\n

Figure 7. Module de Young de trois types diff\u00e9rents de nanofils de carbone de diamant de r\u00e9f\u00e9rence [5].\"Figure<\/p>\n

6. Conclusion<\/p>\n

Les nanofils de carbone diamant ont r\u00e9cemment rejoint la grande famille des nanomat\u00e9riaux de carbone avec une structure unidimensionnelle stricte et une r\u00e9sistance m\u00e9canique \u00e9lev\u00e9e. Dans le processus de recherche, \u00e0 l'aide d'une puissance de calcul puissante, gr\u00e2ce au calcul des premiers principes, la structure mol\u00e9culaire atomique des nanofils de carbone peut \u00eatre \u00e9tudi\u00e9e, et l'interpr\u00e9tation des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux peut \u00eatre aid\u00e9e, et les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux peuvent \u00eatre analys\u00e9s en profondeur . Les nanofils de carbone, ainsi que de nombreuses autres nouvelles fonctionnalit\u00e9s int\u00e9ressantes des nanostructures de carbone, attendent des calculs plus th\u00e9oriques et une v\u00e9rification exp\u00e9rimentale \u00e0 explorer.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences<\/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. Computation th\u00e9orique. 2018, 14, 1131 - 1140<\/p>\n

5.Zhan, H .; Zhang, G .; Tan, VBC; Cheng, Y .; Bell, JM; Zhang, Y.-W .; Gu, Y. Nanoscale 2016, 8, 11177 - 11184<\/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\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2907"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2907"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2907\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2907"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2907"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2907"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}