Sadece grafen karbon nanotüplerinin tan?t?m? de?il, ayn? zamanda yeni karbon nanomalzemeleri ve yard?mc? mekanizmalar? da geliyor！

Fulleren, karbon nanotüpler (CNT'ler, Karbon Nanotüpler) ve grafenler (Grafen) son y?llarda popüler karbon nanomalzemeleridir. ?u anda, be? bilim adam? bu alanda Nobel ?dülü'nü kazand?. Karbon nanomalzemeleri neden yayg?n olarak aranmaktad?r? ?rne?in, karbon fiber katk?l? ?elikten yap?lan bisikletler, ?ok kü?ük karbon atomlar? kütlesi ve karbon atomlar? aras?ndaki veya karbon atomlar? ve di?er atomlar aras?ndaki kimyasal ba?lar nedeniyle s?radan bisikletlerin a??rl???n?n sadece bir k?sm?d?r. ?ok gü?lü. Bu nedenle, karbon nanometrelerle kar??t?r?lan malzemeler genellikle daha iyi mekanik ?zelliklere ve daha hafif toplam a??rl??a sahiptir.

?lk prensipler fizik, kimya ve malzeme biliminde yayg?n olarak kullan?lmaktad?r. Malzeme tasar?m?, malzeme tahmini, yorumlama deneyleri, vs. ilk prensiplerin hesaplanmas?ndan ayr?lamaz, ?ünkü ilk prensip Schr?dinger denkleminden ba?lar ve materyalin malzeme ?zelliklerinin ?o?unu ?ok do?ru bir ?ekilde hesaplamak i?in ?ok az parametre gerektirir; Adyabatik varsay?m ile daha da birle?tirildi?inde, moleküler dinamikleri simüle etmek i?in de kullan?labilir. Karbon nanomalzemeleri alan?nda, karbon atomlar?n?n elektronik korelasyonu ?ok zay?f oldu?u i?in ilk prensip hesaplamalar? yayg?n olarak kullan?lmaktad?r ve ilk prensip hesaplamalar? genellikle ?ok do?ru tahminlerde bulunabilir.

Bu makale, karbon atomlar?n?n iyi bilinen fullerenler, karbon nanotüpler ve grafende bir araya getirilip düzenlenme bi?iminde biraz farkl? olan baz? yeni karbon nanomalzemelerini tan?tacakt?r. Bu ince farkl?l?klar nihai malzeme ?zelliklerine yans?t?labilir, ancak büyük ?l?üde de?i?ebilir. Karbon atomlar?n?n düzenlenmesindeki kü?ük bir fark, karbon nanomalzemelerinin bir?ok malzeme bilim insan?n?, fizik?iyi ve kimyac?y? ?ekti?i malzeme ?zelliklerinde büyük farkl?l?klara d?nü?ebilir.

1. hibridizasyon ve boyut

Karbon atomlar?n? karbon nanomalzemelerine hibritlemenin iki ana yolu vard?r: sp2 veya sp3. Sp2 hibrid modunda, her karbon atomu, bir düzlemde 120 derecelik bir a??yla e?it olarak da??lm?? ü? moleküler orbital ve yayg?n olarak pz orbital olarak bilinen düzlem d??? bir p-y?rünge olu?turur; en tipik karbon nanomalzemeleri ünlü bir grafendir. Sp3 hibrid modunda, her karbon atomu uzayda e?it olarak da??t?lan d?rt moleküler orbital olu?turur ve kabaca vücuttan d?rt k??eye düzenli bir tetrahedron ?ekli olu?turur. Tipik bir kat? malzeme bir p?rlantay? temsil eder, ancak nanomalzemeler dünyas?n?n tipik bir temsilcisi Adamantane'dir. Adamantane bütün bir malzeme ailesinin temsilcisidir ve bir molekül elmas yap?s?n?n bir ?ekirde?ini i?erir. Birden fazla elmas yap? ?ekirde?i i?eriyorsa, bu malzeme ailesi Diamondoid olacakt?r. ?ekil 1: Hibridizasyon (sp2, ilk s?ra; veya sp3, ikinci s?ra) ve malzeme boyutlar?na g?re s?n?fland?r?lan tipik karbon nanomalzemeleri.

Yukar?dakiler sadece hibridizasyon veya daha ziyade bir nanomateryal olu?tururken tek bir karbon atomunun yapabilece?i ana ak?m bir se?imdir. Bir?ok karbon atomu birle?tirildi?inde, hibridizasyona ek olarak, herhangi bir y?nde geni?lemeyi se?ebilirler. S?f?r boyutlu bir malzeme mi yoksa yüksek enlemli bir malzeme mi? Yukar?daki grafik 1 hibridizasyon ve boyuta g?re ?e?itli temsili malzemeleri listelemektedir.

Sp3 hibrit moddaki tek boyutlu malzemeler tipik de?ildir. ?lgili ara?t?rmaya a?ina olan okuyucular Polietilen'i dü?ünebilir, ancak tek tek moleküller a??s?ndan, polietilen molekülleri baz? uzun menzilli yap?land?rma kurallar? veya uzun menzilli s?radan yoksundur ve genellikle karbon nanomalzemelerindeki isteklerden yoksundur. Mekanik dayan?m.

2. karbon nanotelleri

A?a??daki malzemeye bakt???m?zda biraz ilgin? mi? Kat? m? yoksa makromolekül mü?

Bu yeni tip karbon nanomalzeme hem karbon atomlar?n?n bir sp3 hibrididir hem de tek boyutlu bir karbon atomu bile?imidir. Ayn? zamanda, enine kesitleri geleneksel bir do?rusal organik molekül gibi de?ildir, ancak ?oklu kimyasal ba?lara sahiptir. Kesitten ge?in. Bu, bu malzemelerin elektronik ?zellikler a??s?ndan elmas izolat?rlere yak?n oldu?u anlam?na gelir. Geleneksel do?rusal organik moleküllere g?re mekanik ?zelliklerde ?ok daha üstündürler ve mekanik mukavemetleri karbon nanotüplere veya grafeninkine yak?nd?r. Teorik hesaplamalar bunlar? do?rular [1], bunlara karbon nanotelleri veya elmas nanotelleri denir.

Tuhaf bir ?ekle sahip bu yeni malzeme sadece teorik bir beklenti mi, yoksa ger?ekten haz?rlanabilir mi? Bu tür malzemelerin kü?ük ila büyük bir i?lemden sonra kü?ük organik moleküllerin sentezinden ba?lamas? gerekir, ancak deneysel olarak [2] 25GPa yüksek bas?n?tan sonra benzenin kat? durumundan ba?layarak büyükten kü?ü?e bir i?lemden ge?er. orijinal sp2 hibrit kimyasal ba??n rolü, yüksek bas?n? alt?nda bir sp3 hibrit kimyasal ba? haline gelir, b?ylece ü? boyutlu moleküler kristali tek boyutlu bir karbon nanomalzemesine d?nü?türür.

Uzun menzilli s?ral? tek boyutlu nanoteller ?ekil 2'deki ?rnekte g?sterilmi?tir; s?ralanmam?? yap?lar genellikle ger?ek deneylerde elde edilebilir. Bu ?ekil düzensiz bir yap? ve deneylerde elde edilen karbon nanotel kristallerinin tarama tünel mikroskopisinin sonu?lar?n? g?stermektedir.

3.?lk ilke hesaplamalar?n? uygulama

?lk prensip hesaplamalar? malzemelerin ?zelliklerini tahmin etmede iyi sonu? verir. Deneysel sonu?lar?n birle?tirilmesi genellikle deneysel sonu?lar?n yorumlanmas? konusunda daha derinlemesine perspektiflere yol a?ar. Elmas karbon nanotellerinin sentezinde, sert deney ko?ullar? nedeniyle, 25GPa'n?n yüksek bas?nc?n?n ?ok kü?ük bir elmas ?rs hücresinde (DAC) ger?ekle?tirilmesi gerekir, bu nedenle malzemelerin deneysel sentezi uzun menzilli s?ra, deneysel sonu?lardan yoksun ilk bak??ta ?ok fazla parazit kar??mas? var. Teorik hesaplamalar, kompozisyonun bekledi?imiz yeni malzemeleri i?erip i?ermedi?ini ay?rt etmemize yard?mc? olabilir.

Teorik olarak, bir karbon nanotel yap?s? haline geldik. Stone-Wales kimyasal ba? rotasyonunu ekleyerek belirli bir bozuklu?u ekledikten sonra, atomik pozisyon gev?emesini yapmak i?in teorik hesaplamay? kullanabilir ve daha sonra en dü?ük enerjiye sahip optimum yap?y? elde edebiliriz. Do?ru teorik hesaplamalar, bir malzemedeki atomlar aras?ndaki mesafeyi verebilir veya bir malzemedeki radyal da??l?m i?levini hesaplayabilir. Teorik sonu?lar?n ?ekil 4'teki deneysel sonu?larla kar??la?t?r?lmas? Sadece deneysel kompozisyonun teorik yap? ile uyumlu oldu?unu do?rulamakla kalmaz, ayn? zamanda hangi atomik yap?lar?n deneysel sonu?lar?n tepe ??zünürlü?üne kar??l?k geldi?ini de saptar.

?ekil 4. Deneysel olarak sentezlenmi? nanotellerin radyal da??l?m fonksiyonunun (RDF) teorik olarak üretilen karbon nanotel yap?lar?n?n simüle radyal da??l?m fonksiyonu ile kar??la?t?r?lmas?.

?lk prensip hesaplamas? malzemenin optik ?zelliklerini verir. Raman spektroskopisi genellikle deneysel bile?imleri karakterize etmek i?in güvenilir bir ara?t?r, ?ünkü deneysel bile?imi yok etmek zorunda de?ildir ve spektral pikler bize hangi moleküler titre?im modlar?n?n Raman aktivitesine sahip oldu?unu s?yleyebilir. Yo?unluk fonksiyonel teorisi ile Raman spektrumunu hesaplaman?n bir y?ntemi, ?nce molekülün dielektrik sabitini hesaplamak ve daha sonra dielektrik sabitinin de?i?imini hesaplamak i?in moleküler titre?imin ?z modu boyunca atom pozisyonunun kü?ük bir yer de?i?tirmesini yapmakt?r. Modern bilgisayarlar?n geli?mi? hesaplama gücü ile, deneysel kompozisyonda hangi yap?sal birimlerin mevcut oldu?unu belirlemek i?in art?k bir molekülün Raman aktivitesini kolayca hesaplayabiliriz. ?ekil 5, Raman spektroskopisinin hesaplanmas? ve analizi ile karbon nanotellerinin sentez sonu?lar?na dahil edilen karakteristik bir yap?sal birimi g?stermektedir.

?ekil 5. Karbon nanotellerinin deneysel Raman spektrumlar?n?n teori ile kar??la?t?r?lmas?.

4. ??levselle?tirme

Karbon nanomalzemelerinin ?nemli bir ?zelli?i, bunlara ?e?itli fonksiyonel gruplar ekleme yetene?idir. Baz? kü?ük organik moleküller, sentetik preparat?n haz?rl?k a?amas?nda de?i?tirildi?i sürece. Karbon nanotel malzemesinde, basit bir y?ntem, reaktan i?indeki hidrojen atomunun (H) bir klor atomu (Cl) ile de?i?tirilmesini veya i?indeki karbon atomunun bir azot atomu (N) ve bir bor atomu (B) ile de?i?tirilmesini i?erir. Elektronik ?zelliklerini, fonon ?zelliklerini, termal ?zelliklerini veya mekanik ?zelliklerini de?i?tirmek i?in i?levselle?tirilebilir. ?ekil 6, hidrokarbon gruplar?n?n azot atomlar? ile de?i?tirilmesiyle olu?turulan birka? tipik nanotel yap?s?n? g?stermektedir [4].

Nanenin sentezlenmesi i?in bir azot atomu i?eren bir ba?lang?? reaktan? ile benzenin de?i?tirilmesi ?al??mas? makalede yay?nlanm??t?r [3]. Bu de?i?tirme, reaksiyona kat?lmak i?in benzen halkas? yerine piridin (piridin, C5NH5) kullanarak doping yerine tam bir de?i?tirmedir, reaksiyon i?lemi hala yüksek bas?n?l? elmas balast kullan?m?na benzerdir, sp2 hibrid karbon d?nü?türülür sp3 hibrit karbon Ve kü?ük moleküllerin tek boyutlu malzemelere d?nü?ümünü tamamlay?n.

?lk prensipler prensibini kullanarak, bu yap?n?n karbon nanotel malzemesinin sentezlendi?i iki y?ntemle ?al??abiliriz. Birincisi, tüm aday yap?lar?n karakterizasyon ?zelliklerini Raman spektroskopisi, XRD ve benzeri deneylerle kar??la?t?rmakt?r. Di?eri do?al olarak enerjilerine g?re s?ralan?r. Karbon nanotellerinin enerjisini hesaplarken, ?nce moleküler yap?lar? ve periyodiklikleri optimize edilmelidir. Bununla birlikte, bu tek boyutlu malzeme, hesaplamada baz? zorluklar yaratan sarmal bir yap?ya sahip olma ?zelli?ine sahiptir.

Her iki u?ta da kesilen makromolekülleri de?i?tirirseniz, enerji hesab? yanl?? olmal?d?r; periyodik s?n?r ko?ullar?n? kullan?rsan?z, sarmal a??s?n? nas?l belirlersiniz? Uygulanabilir bir hile, hesaplama i?in birka? sarmal a??s? se?mektir [2]. Her a?? farkl?d?r, bu da tek boyutlu yap? boyunca yap?sal bir tekrar periyodunun uzunlu?unun farkl? oldu?u anlam?na gelir. Bir dizi farkl? sarmal a??s? hesapland?ktan sonra, yap?sal birim (veya atom ba??na ortalama) ba??na ortalama enerji elde edilir ve sarmal a??s? üzerinde basit bir ikinci dereceden regresyon uyumu ger?ekle?tirilir. ?kinci dereceden regresyon uydurman?n ?rtük varsay?m?, iki biti?ik yap?sal eleman aras?ndaki etkinin yakla??k olarak yay benzeri oldu?udur. Bu tamamen do?ru bir hipotez olmasa da, yine de biti?ik birimler aras?ndaki ana kuvveti yakalayabilir, ?ünkü karbon nanomalzemelerde biti?ik atomlar ve biti?ik yap?sal birimler aras?ndaki kovalent ba? kuvvetleri kullan?l?r. Hooke'un yay yasas? yakla??kt?r.

?ekil 6. Literatürden azot atomlar? ile süslenmi? d?rt tipik elmas karbon nanoteli [4]

5. mekanik mukavemet

Karbon nanomalzemeler bir?ok harika elektriksel ?zelli?e sahiptir, ancak ?imdi mekanik hafifliklerinde yayg?n olarak kullan?lmaktad?rlar: hafif atomlar, gü?lü ba?. Karbon nanoteller, temel elmas birimine sahiptir. Onlar da yeterli güce sahip olacaklar m?? Basit?e s?ylemek gerekirse, evet. ?ekil 7'de g?sterildi?i gibi, hesaplamalar karbon nanotellerin 800 ile 930 GPa aras?nda bir Young modülüne sahip oldu?unu, bu da do?al elmaslarla (1220 GPa) kar??la?t?r?labilir oldu?unu g?stermektedir. Tabii ki, bu tek boyutlu malzemenin mekanik mukavemeti y?nlüdür. Bu hem bir dezavantaj hem de bir avantajd?r: bu malzeme tüm mekanik gü?leri tek y?nde toplar. Hatta baz?lar? bu karbon nanotelin bir uzay asans?rü i?in kablo yapmak i?in kullan?labilece?ini hayal ediyor.

?ekil 7. Referanstan [5] al?nan ü? farkl? elmas karbon nanotel tipinin Young modülü.

6. Sonu?

Elmas karbon nanotelleri son zamanlarda s?k? bir boyutlu yap? ve yüksek mekanik mukavemete sahip büyük karbon nanomalzeme ailesine kat?ld?. Ara?t?rma sürecinde, gü?lü hesaplama gücü yard?m?yla, ilk prensiplerin hesaplanmas?yla, olas? karbon nanotel atomik moleküler yap?s? incelenebilir ve deneysel sonu?lar?n yorumlanmas?na yard?mc? olunabilir ve deneysel sonu?lar derinlemesine analiz edilebilir. . Karbon nanotelleri ve karbon nanoyap?lar?n di?er bir?ok ilgin? yeni ?zelli?i, daha teorik hesaplamalar ve ke?fetmek i?in deneysel do?rulama 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. Kimya Soc. 2018, 140, 4969 – 4972

4.Chen, B.; Wang, T.; Crespi, VH; Badding, Ortak Giri?im; 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. Nano ?l?ek 2016, 8, 11177 – 11184