{"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\/pt\/nao-apenas-a-introducao-de-nanotubos-de-carbono-de-grafeno-vem-mas-tambem-de-novos-nanomateriais-de-carbono-e-seus-mecanismos-auxiliares%ef%bc%81\/","title":{"rendered":"N\u00e3o s\u00f3 a introdu\u00e7\u00e3o de nanotubos de carbono de grafeno vem, mas tamb\u00e9m novos nanomateriais de carbono e seus mecanismos auxiliares\uff01"},"content":{"rendered":"
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N\u00e3o s\u00f3 a introdu\u00e7\u00e3o de nanotubos de carbono de grafeno vem, mas tamb\u00e9m novos nanomateriais de carbono e seus mecanismos auxiliares\uff01<\/h5>\n

Fulereno, nanotubos de carbono (CNTs, nanotubos de carbono) e grafenos (grafeno) s\u00e3o nanomateriais de carbono populares nos \u00faltimos anos. Atualmente, cinco cientistas ganharam o Pr\u00eamio Nobel neste campo. Por que os nanomateriais de carbono s\u00e3o amplamente procurados? Por exemplo, bicicletas feitas de a\u00e7o com fibra de carbono s\u00e3o apenas uma fra\u00e7\u00e3o do peso das bicicletas comuns devido \u00e0 massa muito pequena de \u00e1tomos de carbono e \u00e0s liga\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas entre \u00e1tomos de carbono ou entre \u00e1tomos de carbono e outros \u00e1tomos. Muito forte. Portanto, materiais misturados com nan\u00f4metros de carbono geralmente t\u00eam melhores propriedades mec\u00e2nicas e peso geral mais leve.<\/p>\n

Os primeiros princ\u00edpios s\u00e3o amplamente utilizados em f\u00edsica, qu\u00edmica e ci\u00eancia de materiais. O design do material, a previs\u00e3o do material, os experimentos de interpreta\u00e7\u00e3o etc. s\u00e3o insepar\u00e1veis do c\u00e1lculo dos primeiros princ\u00edpios, porque o primeiro princ\u00edpio parte da equa\u00e7\u00e3o de Schr\u00f6dinger e requer muito poucos par\u00e2metros para calcular a maioria das propriedades do material com muita precis\u00e3o; Al\u00e9m disso combinado com a suposi\u00e7\u00e3o adiab\u00e1tica, tamb\u00e9m pode ser usado para simular a din\u00e2mica molecular. No campo dos nanomateriais de carbono, os c\u00e1lculos dos primeiros princ\u00edpios s\u00e3o amplamente utilizados, porque a correla\u00e7\u00e3o eletr\u00f4nica dos \u00e1tomos de carbono \u00e9 muito fraca, e os c\u00e1lculos dos primeiros princ\u00edpios costumam fazer previs\u00f5es muito precisas.<\/p>\n

Este artigo apresentar\u00e1 alguns novos tipos de nanomateriais de carbono que diferem ligeiramente na maneira como os \u00e1tomos de carbono s\u00e3o combinados e organizados em fulerenos conhecidos, nanotubos de carbono e grafeno. Essas diferen\u00e7as sutis podem ser refletidas nas propriedades finais do material, mas podem variar bastante. Uma pequena diferen\u00e7a no arranjo dos \u00e1tomos de carbono pode se traduzir em grandes diferen\u00e7as nas propriedades dos materiais, onde os nanomateriais de carbono atraem muitos cientistas, f\u00edsicos e qu\u00edmicos de materiais.<\/p>\n

1. Hibridiza\u00e7\u00e3o e dimens\u00e3o<\/h6>\n

Existem duas maneiras principais de hibridar \u00e1tomos de carbono com nanomateriais de carbono: sp2 ou sp3. No modo h\u00edbrido sp2, cada \u00e1tomo de carbono forma tr\u00eas orbitais moleculares distribu\u00eddos uniformemente em um plano em um \u00e2ngulo de 120 graus e uma \u00f3rbita p fora do plano, comumente conhecida como orbital pz; os nanomateriais de carbono mais t\u00edpicos \u00c9 um grafeno famoso. No modo h\u00edbrido sp3, cada \u00e1tomo de carbono forma quatro orbitais moleculares que s\u00e3o distribu\u00eddos uniformemente no espa\u00e7o, formando aproximadamente a forma de um tetraedro regular do corpo para os quatro v\u00e9rtices. Um material s\u00f3lido t\u00edpico representa um diamante, mas Um representante t\u00edpico do mundo dos nanomateriais \u00e9 o Adamantane. O adamantano \u00e9 um representante de toda uma fam\u00edlia de materiais e uma mol\u00e9cula cont\u00e9m um n\u00facleo da estrutura do diamante. Se contiver m\u00faltiplos n\u00facleos da estrutura de diamante, essa fam\u00edlia de materiais se tornar\u00e1 diam\u00f3ide. Figura 1: Nanomateriais t\u00edpicos de carbono classificados de acordo com a hibrida\u00e7\u00e3o (sp2, primeira linha; ou sp3, segunda linha) e dimens\u00f5es do material.<\/p>\n

\"figura<\/p>\n

O exposto acima \u00e9 apenas hibrida\u00e7\u00e3o, ou melhor, uma escolha dominante que um \u00fanico \u00e1tomo de carbono pode fazer ao formar um nanomaterial. Quando muitos \u00e1tomos de carbono s\u00e3o combinados, al\u00e9m da hibrida\u00e7\u00e3o, eles podem optar por expandir em qualquer dire\u00e7\u00e3o. \u00c9 um material de dimens\u00e3o zero ou de alta latitude? O quadro 1 acima lista v\u00e1rios materiais representativos de acordo com a hibrida\u00e7\u00e3o e dimens\u00e3o.<\/p>\n

Os materiais unidimensionais no modo h\u00edbrido sp3 n\u00e3o t\u00eam um t\u00edpico. Os leitores familiarizados com pesquisas relevantes podem pensar em Polietileno, mas em termos de mol\u00e9culas individuais, as mol\u00e9culas de polietileno carecem de algumas regras de configura\u00e7\u00e3o de longo alcance, ou ordem de longo alcance, e os desejos geralmente encontrados em nanomateriais de carbono. For\u00e7a mec\u00e2nica.<\/p>\n

Nanofios 2.carbon<\/h6>\n

Olhando para o material abaixo, \u00e9 um pouco interessante? \u00c9 s\u00f3lido ou macromol\u00e9cula?<\/p>\n

\"nanofios<\/p>\n

Esse novo tipo de nanomaterial de carbono \u00e9 um h\u00edbrido sp3 de \u00e1tomos de carbono e uma composi\u00e7\u00e3o unidimensional de \u00e1tomos de carbono. Ao mesmo tempo, suas se\u00e7\u00f5es transversais n\u00e3o s\u00e3o como uma mol\u00e9cula org\u00e2nica linear tradicional, mas t\u00eam v\u00e1rias liga\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas. Passe pela se\u00e7\u00e3o transversal. Isso significa que esses materiais s\u00e3o pr\u00f3ximos aos isoladores de diamante em termos de propriedades eletr\u00f4nicas. Eles s\u00e3o muito superiores em propriedades mec\u00e2nicas \u00e0s mol\u00e9culas org\u00e2nicas lineares tradicionais, e sua resist\u00eancia mec\u00e2nica \u00e9 pr\u00f3xima \u00e0 dos nanotubos de carbono ou grafeno. Os c\u00e1lculos te\u00f3ricos confirmam estes [1], eles s\u00e3o chamados nanofios de carbono ou nanotreads de diamante.<\/p>\n

Esse novo material com uma forma estranha \u00e9 apenas uma expectativa te\u00f3rica ou pode ser realmente preparado? Parece que esses materiais precisam come\u00e7ar a partir da s\u00edntese de pequenas mol\u00e9culas org\u00e2nicas, ap\u00f3s um processo pequeno a grande, mas experimentalmente [2] \u00e9 atrav\u00e9s de um processo de grande a pequeno, a partir do estado s\u00f3lido do benzeno, ap\u00f3s alta press\u00e3o de 25GPa. O papel da liga\u00e7\u00e3o qu\u00edmica h\u00edbrida sp2 original se torna uma liga\u00e7\u00e3o qu\u00edmica h\u00edbrida sp3 sob alta press\u00e3o, transformando o cristal molecular tridimensional em um nanomaterial unidimensional de carbono.<\/p>\n

Nanofios unidimensionais ordenados de longo alcance s\u00e3o mostrados no exemplo da Figura 2; estruturas n\u00e3o ordenadas podem frequentemente ser obtidas em experimentos reais. Esta figura mostra uma estrutura desordenada e os resultados da microscopia de varredura por tunelamento de cristais de nanofios de carbono obtidos em experimentos.\"Nanofios<\/p>\n

3.Aplica\u00e7\u00e3o dos c\u00e1lculos dos primeiros princ\u00edpios<\/h6>\n

Os c\u00e1lculos dos primeiros princ\u00edpios t\u00eam um bom desempenho na previs\u00e3o das propriedades dos materiais. A combina\u00e7\u00e3o de resultados experimentais geralmente leva a perspectivas mais aprofundadas sobre a interpreta\u00e7\u00e3o dos resultados experimentais. Na s\u00edntese de nanofios de carbono de diamante, devido \u00e0s duras condi\u00e7\u00f5es experimentais, a alta press\u00e3o de 25GPa precisa ser realizada em uma c\u00e9lula bigorna de diamante (DAC), de modo que a s\u00edntese experimental de materiais carece de ordem de longo alcance, resultados experimentais. \u00c0 primeira vista, h\u00e1 muita interfer\u00eancia de desordem. Os c\u00e1lculos te\u00f3ricos podem nos ajudar a distinguir se a composi\u00e7\u00e3o cont\u00e9m os novos materiais que esperamos.<\/p>\n

Em teoria, nos tornamos uma estrutura de nanofios de carbono. Depois de adicionar um certo dist\u00farbio ao introduzir a rota\u00e7\u00e3o de liga\u00e7\u00e3o qu\u00edmica de Stone-Wales, podemos usar o c\u00e1lculo te\u00f3rico para fazer o relaxamento da posi\u00e7\u00e3o at\u00f4mica e, em seguida, obter a estrutura ideal com a menor energia. C\u00e1lculos te\u00f3ricos precisos podem fornecer a dist\u00e2ncia entre \u00e1tomos em um material ou calcular a fun\u00e7\u00e3o de distribui\u00e7\u00e3o radial em um material. Comparando os resultados te\u00f3ricos com os resultados experimentais da Figura 4. Ele n\u00e3o apenas confirma que a composi\u00e7\u00e3o experimental est\u00e1 de acordo com a estrutura te\u00f3rica, mas tamb\u00e9m discerne quais estruturas at\u00f4micas correspondem \u00e0 resolu\u00e7\u00e3o de pico dos resultados experimentais.<\/p>\n

Figura 4. Compara\u00e7\u00e3o da fun\u00e7\u00e3o de distribui\u00e7\u00e3o radial (RDF) de nanofios experimentalmente sintetizados com a fun\u00e7\u00e3o de distribui\u00e7\u00e3o radial simulada de estruturas de nanofios de carbono geradas teoricamente.\"Figura<\/p>\n

O primeiro c\u00e1lculo de princ\u00edpio fornece as propriedades \u00f3pticas do material. A espectroscopia Raman \u00e9 frequentemente um meio confi\u00e1vel de caracterizar composi\u00e7\u00f5es experimentais porque n\u00e3o precisa destruir a composi\u00e7\u00e3o experimental, e os picos espectrais podem nos dizer quais modos vibracionais moleculares t\u00eam atividade Raman. Um m\u00e9todo de calcular o espectro Raman pela teoria funcional da densidade \u00e9 primeiro calcular a constante diel\u00e9trica da mol\u00e9cula e, em seguida, executar um pequeno deslocamento da posi\u00e7\u00e3o do \u00e1tomo ao longo do modo pr\u00f3prio da vibra\u00e7\u00e3o molecular para calcular a altera\u00e7\u00e3o da constante diel\u00e9trica. Com o poder computacional avan\u00e7ado dos computadores modernos, agora podemos calcular facilmente a atividade Raman de uma mol\u00e9cula para determinar quais unidades estruturais est\u00e3o presentes na composi\u00e7\u00e3o experimental. A Figura 5 mostra uma unidade estrutural caracter\u00edstica inclu\u00edda nos resultados da s\u00edntese de nanofios de carbono por c\u00e1lculo e an\u00e1lise da espectroscopia Raman.<\/p>\n

Figura 5. Compara\u00e7\u00e3o dos espectros Raman experimentais de nanofios de carbono com a teoria.\"figura<\/p>\n

4. Funcionaliza\u00e7\u00e3o<\/h6>\n

Uma caracter\u00edstica importante dos nanomateriais de carbono \u00e9 a capacidade de adicionar v\u00e1rios grupos funcionais a eles. Desde que algumas mol\u00e9culas org\u00e2nicas pequenas sejam substitu\u00eddas no est\u00e1gio de prepara\u00e7\u00e3o da prepara\u00e7\u00e3o sint\u00e9tica. No material de nanofios de carbono, um m\u00e9todo simples envolve a substitui\u00e7\u00e3o do \u00e1tomo de hidrog\u00eanio (H) no reagente por um \u00e1tomo de cloro (Cl) ou a substitui\u00e7\u00e3o do \u00e1tomo de carbono no mesmo por um \u00e1tomo de nitrog\u00eanio (N) e um \u00e1tomo de boro (B). Pode ser funcionalizado para alterar suas propriedades eletr\u00f4nicas, propriedades do f\u00f4non, propriedades t\u00e9rmicas ou propriedades mec\u00e2nicas. A Figura 6 mostra v\u00e1rias estruturas t\u00edpicas de nanofios formadas pela substitui\u00e7\u00e3o de grupos hidrocarbonetos por \u00e1tomos de nitrog\u00eanio [4].<\/p>\n

O estudo da substitui\u00e7\u00e3o do benzeno por um reagente inicial contendo um \u00e1tomo de nitrog\u00eanio para sintetizar nanofios \u00e9 publicado no artigo [3]. Esta substitui\u00e7\u00e3o \u00e9 uma substitui\u00e7\u00e3o completa em vez de dopagem, usando piridina (piridina, C5NH5) em vez do anel benzeno para participar da rea\u00e7\u00e3o, o processo de rea\u00e7\u00e3o ainda \u00e9 semelhante ao uso de lastro de diamante de alta press\u00e3o, o carbono h\u00edbrido sp2 \u00e9 convertido em carbono h\u00edbrido sp3 E complete a transforma\u00e7\u00e3o de pequenas mol\u00e9culas em materiais unidimensionais.<\/p>\n

Usando o princ\u00edpio dos primeiros princ\u00edpios, podemos estudar por dois m\u00e9todos, nos quais o material de nanofios de carbono dessa estrutura \u00e9 sintetizado. Uma \u00e9 comparar as propriedades de caracteriza\u00e7\u00e3o de todas as estruturas candidatas com experimentos, como espectroscopia Raman, DRX e assim por diante. O outro \u00e9 naturalmente classificado por sua energia. No c\u00e1lculo da energia dos nanofios de carbono, sua estrutura molecular e periodicidade devem ser otimizadas primeiro. No entanto, esse material unidimensional possui uma caracter\u00edstica de possuir uma estrutura helicoidal, o que cria algumas dificuldades no c\u00e1lculo.<\/p>\n

Se voc\u00ea substituir as macromol\u00e9culas truncadas nas duas extremidades, o c\u00e1lculo da energia dever\u00e1 ser impreciso; Se voc\u00ea usa condi\u00e7\u00f5es de contorno peri\u00f3dicas, como determina o \u00e2ngulo da h\u00e9lice? Um truque poss\u00edvel \u00e9 selecionar v\u00e1rios \u00e2ngulos de h\u00e9lice para o c\u00e1lculo [2]. Cada \u00e2ngulo \u00e9 diferente, o que significa que a dura\u00e7\u00e3o de um per\u00edodo de repeti\u00e7\u00e3o estrutural \u00e9 diferente ao longo da estrutura unidimensional. Ap\u00f3s o c\u00e1lculo de v\u00e1rios \u00e2ngulos de h\u00e9lice diferentes, \u00e9 obtida a energia m\u00e9dia por unidade estrutural (ou m\u00e9dia por \u00e1tomo) e um ajuste de regress\u00e3o quadr\u00e1tica simples \u00e9 realizado no \u00e2ngulo de h\u00e9lice. A suposi\u00e7\u00e3o impl\u00edcita do ajuste de regress\u00e3o quadr\u00e1tica \u00e9 que o efeito entre dois elementos estruturais adjacentes \u00e9 aproximadamente semelhante a uma mola. Embora essa n\u00e3o seja uma hip\u00f3tese completamente verdadeira, ela ainda pode capturar a for\u00e7a principal entre unidades adjacentes, porque em nanomateriais de carbono, for\u00e7as de liga\u00e7\u00e3o covalentes entre \u00e1tomos adjacentes e unidades estruturais adjacentes s\u00e3o usadas. A lei da primavera de Hooke \u00e9 aproximada.<\/p>\n

Figura 6. Quatro nanofios t\u00edpicos de carbono de diamante decorados com \u00e1tomos de nitrog\u00eanio da literatura [4]<\/p>\n

\"Figura<\/p>\n

For\u00e7a 5.Mechanical<\/h6>\n

Os nanomateriais de carbono t\u00eam muitas propriedades el\u00e9tricas maravilhosas, mas agora s\u00e3o amplamente utilizados em sua leveza mec\u00e2nica: \u00e1tomos de luz, liga\u00e7\u00f5es fortes. Os nanofios de carbono t\u00eam a unidade b\u00e1sica de diamantes. Eles tamb\u00e9m ter\u00e3o for\u00e7a suficiente? Simplificando, sim. Conforme mostrado na Figura 7, os c\u00e1lculos mostram que os nanofios de carbono t\u00eam um m\u00f3dulo de Young entre 800 e 930 GPa, que \u00e9 compar\u00e1vel aos diamantes naturais (1220 GPa). Obviamente, a for\u00e7a mec\u00e2nica deste material unidimensional \u00e9 direcional. Isso \u00e9 uma desvantagem e uma vantagem: esse material concentra todas as for\u00e7as mec\u00e2nicas em uma dire\u00e7\u00e3o. Alguns at\u00e9 imaginam que esse nanofio de carbono possa ser usado para fazer um cabo para um elevador espacial.<\/p>\n

Figura 7. M\u00f3dulo de Young de tr\u00eas tipos diferentes de nanofios de carbono de diamante da refer\u00eancia [5].\"Figura<\/p>\n

6. Conclus\u00e3o<\/p>\n

Os nanofios de carbono de diamante uniram-se recentemente \u00e0 grande fam\u00edlia de nanomateriais de carbono com uma estrutura unidimensional rigorosa e alta resist\u00eancia mec\u00e2nica. No processo de pesquisa, com a ajuda de um poderoso poder computacional, atrav\u00e9s do c\u00e1lculo dos primeiros princ\u00edpios, a poss\u00edvel estrutura molecular at\u00f4mica de nanofios de carbono pode ser estudada e a interpreta\u00e7\u00e3o dos resultados experimentais pode ser auxiliada e os resultados experimentais podem ser analisados em profundidade . Os nanofios de carbono, bem como muitos outros novos recursos interessantes das nanoestruturas de carbono, est\u00e3o aguardando mais c\u00e1lculos te\u00f3ricos e verifica\u00e7\u00e3o experimental para explorar.<\/p>\n

Refer\u00eancias<\/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. Teoria Comput. 2018, 14, 1131-1140<\/p>\n

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