Kh?ng ch? gi?i thi?u các ?ng nano carbon graphene, mà c? các v?t li?u nano carbon m?i và các c? ch? ph? tr? c?a chúng

Fullerene, ?ng nano carbon (CNTs, ?ng nano carbon) và graphenes (Graphene) là v?t li?u nano carbon ph? bi?n trong nh?ng n?m g?n ?ay. Hi?n t?i, n?m nhà khoa h?c ?? giành gi?i th??ng Nobel trong l?nh v?c này. T?i sao v?t li?u nano carbon ???c tìm ki?m r?ng r?i? Ví d?, xe ??p làm b?ng thép s?i carbon ch? b?ng m?t ph?n tr?ng l??ng c?a xe ??p th?ng th??ng do kh?i l??ng nguyên t? carbon r?t nh? và liên k?t hóa(chǎn) h?c gi?a các nguyên t? carbon ho?c gi?a các nguyên t? carbon và các nguyên t? khác. R?t m?nh. Do ?ó, các v?t li?u tr?n v?i nanomet carbon th??ng có tính ch?t c? h?c t?t h?n và tr?ng l??ng t?ng th? nh? h?n.

Nguyên t?c ??u tiên ???c s? d?ng r?ng r?i trong v?t ly, hóa(chǎn) h?c và khoa h?c v?t li?u. Thi?t k? v?t li?u, d? ?oán v?t li?u, thí nghi?m di?n gi?i, v.v ... kh?ng th? tách r?i kh?i tính toán nguyên t?c ??u tiên, b?i vì nguyên t?c ??u tiên b?t ??u t? ph??ng trình Schr?dinger và yêu c?u r?t ít tham s? ?? tính toán h?u h?t các tính ch?t v?t li?u c?a v?t li?u r?t chính xác; H?n n?a k?t h?p v?i gi? ??nh ?áng tin c?y, nó c?ng có th? ???c s? d?ng ?? m? ph?ng ??ng l?c h?c phan t?. Trong l?nh v?c v?t li?u nano carbon, các tính toán nguyên t?c ??u tiên ???c s? d?ng r?ng r?i vì t??ng quan ?i?n t? c?a các nguyên t? carbon r?t y?u và các tính toán nguyên t?c ??u tiên th??ng có th? ??a ra d? ?oán r?t chính xác.

Bài vi?t này s? gi?i thi?u m?t s? lo?i v?t li?u nano carbon m?i khác bi?t ??i chút v? cách các nguyên t? carbon ???c k?t h?p và s?p x?p trong các fullerene, ?ng nano carbon và graphene n?i ti?ng. Nh?ng khác bi?t tinh t? này có th? ???c ph?n ánh trong các thu?c tính v?t li?u cu?i cùng nh?ng có th? khác nhau r?t nhi?u. M?t s? khác bi?t nh? trong cách s?p x?p các nguyên t? carbon có th? chuy?n thành s? khác bi?t l?n v? tính ch?t v?t li?u, ?ó là n?i v?t li?u nano carbon thu hút nhi?u nhà khoa h?c v?t ly, nhà v?t ly và nhà hóa(chǎn) h?c.

1. ?i?u ch?nh và kích th??c

Có hai cách chính ?? lai các nguyên t? carbon v?i v?t li?u nano carbon: sp2 ho?c sp3. Trong ch? ?? lai sp2, m?i nguyên t? carbon t?o thành ba qu? ??o phan t? phan b? ??ng ??u trong m?t m?t ph?ng ? góc 120 ?? và qu? ??o p ngoài m?t ph?ng, th??ng ???c g?i là qu? ??o pz; v?t li?u nano carbon ?i?n hình nh?t ?ó là m?t graphene n?i ti?ng. Trong ch? ?? lai sp3, m?i nguyên t? carbon t?o thành b?n qu? ??o phan t? phan b? ??u trong kh?ng gian, t?o thành hình d?ng c?a m?t t? di?n ??u t? c? th? ??n b?n ??nh. M?t v?t li?u r?n ?i?n hình ??i di?n cho m?t viên kim c??ng, nh?ng M?t ??i di?n tiêu bi?u c?a th? gi?i v?t li?u nano là Adamantane. Adamantane là ??i di?n c?a c? m?t gia ?ình v?t li?u, và m?t phan t? ch?a l?i c?a c?u trúc kim c??ng. N?u nó ch?a nhi?u l?i c?u trúc kim c??ng, thì h? v?t li?u này s? tr? thành Diamondoid. Hình 1: V?t li?u nano carbon ?i?n hình ???c phan lo?i theo lai hóa(chǎn) (sp2, hàng ??u tiên ho?c sp3, hàng th? hai) và kích th??c v?t li?u.

Trên ?ay ch? là s? lai t?o, hay ?úng h?n là m?t l?a ch?n ch? ??o mà m?t nguyên t? carbon ??n l? có th? t?o ra khi hình thành v?t li?u nano. Khi nhi?u nguyên t? carbon ???c k?t h?p, ngoài vi?c lai hóa(chǎn), chúng có th? ch?n m? r?ng theo b?t k? h??ng nào. Nó là v?t li?u kh?ng chi?u hay v?t li?u có v? ?? cao? Bi?u ?? trên 1 li?t kê các v?t li?u ??i di?n khác nhau theo s? lai t?o và kích th??c.

V?t li?u m?t chi?u trong ch? ?? lai sp3 thi?u m?t ?i?n hình. Ng??i ??c quen thu?c v?i nghiên c?u có liên quan có th? ngh? v? Polyetylen, nh?ng v? m?t phan t? riêng l?, phan t? polyetylen thi?u m?t s? quy t?c c?u hình t?m xa ho?c th? t? t?m xa và th??ng kh?ng có c?m giác thèm trong v?t li?u nano carbon. ?? b?n c? h?c.

Day nano 2.carbon

Nhìn vào tài li?u d??i ?ay, nó có m?t chút thú v?? Nó là r?n ho?c ??i phan t??

Lo?i v?t li?u nano carbon m?i này v?a là h?n h?p sp3 c?a các nguyên t? carbon v?a là thành ph?n m?t chi?u c?a các nguyên t? carbon. ??ng th?i, m?t c?t ngang c?a chúng kh?ng gi?ng nh? m?t phan t? h?u c? tuy?n tính truy?n th?ng, nh?ng có nhi?u liên k?t hóa(chǎn) h?c. ?i qua m?t c?t ngang. ?i?u này có ngh?a là các v?t li?u này g?n v?i ch?t cách ?i?n kim c??ng v? các ??c tính ?i?n t?. Chúng v??t tr?i h?n nhi?u v? tính ch?t c? h?c so v?i các phan t? h?u c? tuy?n tính truy?n th?ng và ?? b?n c? h?c c?a chúng g?n b?ng các ?ng nano carbon ho?c graphene. Các tính toán ly thuy?t ?? xác nh?n nh?ng ?i?u này [1], chúng ???c g?i là các day nano carbon, ho?c các ?ng nano kim c??ng.

?ay có ph?i là v?t li?u m?i v?i hình d?ng k? l? ch? là m?t k? v?ng ly thuy?t, ho?c nó có th? th?c s? ???c chu?n b?? D??ng nh? các v?t li?u nh? v?y c?n b?t ??u t? quá trình t?ng h?p các phan t? h?u c? nh?, sau m?t quá trình nh? ??n l?n, nh?ng v? m?t th?c nghi?m [2] là th?ng qua m?t quá trình t? l?n ??n nh?, b?t ??u t? tr?ng thái r?n c?a benzen, sau áp su?t cao 25GPa vai trò c?a liên k?t hóa(chǎn) h?c lai sp2 ban ??u tr? thành liên k?t hóa(chǎn) h?c lai sp3 d??i áp su?t cao, t? ?ó bi?n ??i tinh th? phan t? ba chi?u thành v?t li?u nano carbon m?t chi?u.

Các day nano m?t chi?u ???c ??t hàng t?m xa ???c hi?n th? trong ví d? c?a Hình 2; c?u trúc kh?ng có th? t? th??ng có th? thu ???c trong các thí nghi?m th?c t?. Hình này cho th?y m?t c?u trúc r?i lo?n và k?t qu? c?a kính hi?n vi quét ???ng h?m c?a các tinh th? day nano carbon thu ???c trong các thí nghi?m.

3. áp d?ng các tính toán nguyên t?c ??u tiên

Tính toán nguyên t?c ??u tiên th?c hi?n t?t trong vi?c d? ?oán các tính ch?t c?a v?t li?u. K?t h?p các k?t qu? thí nghi?m th??ng d?n ??n nh?ng quan ?i?m sau s?c h?n v? vi?c gi?i thích k?t qu? thí nghi?m. Trong quá trình t?ng h?p day nano carbon kim c??ng, do ?i?u ki?n thí nghi?m kh?c nghi?t, áp su?t cao 25GPa c?n ph?i ???c th?c hi?n trong m?t t? bào ?e kim c??ng r?t nh? (DAC), do ?ó quá trình t?ng h?p v?t li?u thi?u tr?t t? t?m xa, k?t qu? th? nghi?m Tho?t nhìn, có r?t nhi?u can thi?p r?i lo?n. Các tính toán ly thuy?t có th? giúp chúng ta phan bi?t xem thành ph?n có ch?a các v?t li?u m?i mà chúng ta mong ??i hay kh?ng.

V? ly thuy?t, chúng t?i ?? tr? thành m?t c?u trúc day nano carbon. Sau khi thêm m?t r?i lo?n nh?t ??nh b?ng cách gi?i thi?u vòng quay liên k?t hóa(chǎn) h?c Stone-Wales, chúng ta có th? s? d?ng tính toán ly thuy?t ?? th?c hi?n th? gi?n v? trí nguyên t? và sau ?ó thu ???c c?u trúc t?i ?u v?i n?ng l??ng th?p nh?t. Tính toán ly thuy?t chính xác có th? ??a ra kho?ng cách gi?a các nguyên t? trong v?t li?u ho?c tính hàm phan ph?i xuyên tam trong v?t li?u. So sánh k?t qu? ly thuy?t v?i k?t qu? th?c nghi?m trong Hình 4. Nó kh?ng ch? xác nh?n r?ng thành ph?n th?c nghi?m phù h?p v?i c?u trúc ly thuy?t, mà còn nh?n ra c?u trúc nguyên t? nào t??ng ?ng v?i ?? phan gi?i ??nh c?a k?t qu? thí nghi?m.

Hình 4. So sánh hàm phan ph?i h??ng tam (RDF) c?a các day nano ???c t?ng h?p th?c nghi?m v?i hàm phan ph?i h??ng tam m? ph?ng c?a các c?u trúc day nano carbon ???c t?o ra theo ly thuy?t.

Tính toán nguyên ly ??u tiên cho các tính ch?t quang c?a v?t li?u. Quang ph? Raman th??ng là m?t ph??ng ti?n ?áng tin c?y ?? m? t? các thành ph?n thí nghi?m vì nó kh?ng ph?i phá h?y thành ph?n thí nghi?m và các ??nh ph? có th? cho chúng ta bi?t ch? ?? rung phan t? nào có ho?t ??ng Raman. M?t ph??ng pháp tính toán ph? Raman theo ly thuy?t ch?c n?ng m?t ?? là tr??c tiên tính h?ng s? ?i?n m?i c?a phan t?, sau ?ó th?c hi?n m?t chuy?n v? nh? c?a v? trí nguyên t? d?c theo m? riêng c?a dao ??ng phan t? ?? tính toán s? thay ??i c?a h?ng s? ?i?n m?i. V?i s?c m?nh tính toán tiên ti?n c?a các máy tính hi?n ??i, gi? ?ay chúng ta có th? d? dàng tính toán ho?t ??ng Raman c?a m?t phan t? ?? xác ??nh ??n v? c?u trúc nào có m?t trong ch? ph?m th? nghi?m. Hình 5 cho th?y m?t ??n v? c?u trúc ??c tr?ng có trong các k?t qu? t?ng h?p c?a day nano carbon b?ng cách tính toán và phan tích ph? Raman.

Hình 5. So sánh ph? Raman th? nghi?m c?a day nano carbon v?i ly thuy?t.

4. Ch?c n?ng hóa(chǎn)

M?t tính n?ng quan tr?ng c?a v?t li?u nano carbon là kh? n?ng thêm các nhóm ch?c khác nhau vào chúng. Mi?n là m?t s? phan t? h?u c? nh? ???c thay th? trong giai ?o?n chu?n b? c?a ch? ph?m t?ng h?p. Trong v?t li?u day nano carbon, m?t ph??ng pháp ??n gi?n liên quan ??n vi?c thay th? nguyên t? hydro (H) trong ch?t ph?n ?ng b?ng nguyên t? clo (Cl) ho?c thay th? nguyên t? carbon trong ?ó b?ng nguyên t? nit? (N) và nguyên t? boron (B). Nó có th? ???c ch?c n?ng hóa(chǎn) ?? thay ??i các thu?c tính ?i?n t?, tính ch?t phonon, tính ch?t nhi?t ho?c tính ch?t c? h?c c?a nó. Hình 6 cho th?y m?t s? c?u trúc day nano ?i?n hình ???c hình thành b?ng cách thay th? các nhóm hydrocarbon b?ng các nguyên t? nit? [4].

Nghiên c?u thay th? benzen b?ng ch?t ph?n ?ng ban ??u ch?a nguyên t? nit? ?? t?ng h?p day nano ???c c?ng b? trong bài báo [3]. S? thay th? này là s? thay th? hoàn toàn thay vì pha t?p, s? d?ng pyridine (pyridine, C5NH5) thay cho vòng benzen ?? tham gia ph?n ?ng, quá trình ph?n ?ng v?n t??ng t? nh? s? d?ng ballast kim c??ng áp su?t cao, carbon lai sp2 ???c chuy?n ??i thành sp3 lai carbon Và hoàn thành vi?c chuy?n ??i các phan t? nh? thành v?t li?u m?t chi?u.

S? d?ng nguyên t?c c?a các nguyên t?c ??u tiên, chúng ta có th? nghiên c?u b?ng hai ph??ng pháp, trong ?ó v?t li?u day nano carbon c?a c?u trúc ?ó ???c t?ng h?p. M?t là so sánh các ??c tính ??c tr?ng c?a t?t c? các c?u trúc ?ng c? viên v?i các thí nghi?m, ch?ng h?n nh? quang ph? Raman, XRD, v.v. Cái khác ???c s?p x?p t? nhiên b?i n?ng l??ng c?a h?. Khi tính toán n?ng l??ng c?a các day nano carbon, c?u trúc phan t? và tính tu?n hoàn c?a chúng ph?i ???c t?i ?u hóa(chǎn) tr??c tiên. Tuy nhiên, v?t li?u m?t chi?u này có m?t ??c ?i?m là chúng có c?u trúc xo?n ?c, t?o ra m?t s? khó kh?n trong tính toán.

N?u b?n thay th? các ??i phan t? b? c?t ng?n ? c? hai ??u, thì vi?c tính toán n?ng l??ng ph?i kh?ng chính xác; n?u b?n s? d?ng các ?i?u ki?n biên tu?n hoàn, làm th? nào ?? b?n xác ??nh góc xo?n? M?t th? thu?t kh? thi là ch?n m?t s? góc xo?n ?? tính toán [2]. M?i góc ?? khác nhau, có ngh?a là ?? dài c?a m?t giai ?o?n l?p l?i c?u trúc là khác nhau d?c theo c?u trúc m?t chi?u. Sau khi tính toán m?t s? góc xo?n khác nhau, n?ng l??ng trung bình trên m?i ??n v? c?u trúc (ho?c trung bình trên m?i nguyên t?) thu ???c và m?t phép h?i quy b?c hai ??n gi?n ???c th?c hi?n trên góc xo?n. Gi? ??nh ng?m ??nh c?a s? phù h?p h?i quy b?c hai là hi?u ?ng gi?a hai ph?n t? c?u trúc li?n k? g?n gi?ng nh? lò xo. M?c dù ?ay kh?ng ph?i là m?t gi? thuy?t hoàn toàn ?úng, nh?ng nó v?n có th? b?t ???c l?c chính gi?a các ??n v? lan c?n, vì trong v?t li?u nano cacbon, l?c liên k?t c?ng hóa(chǎn) tr? gi?a các nguyên t? lan c?n và các ??n v? c?u trúc li?n k? ???c s? d?ng. ??nh lu?t Hooke v? lò xo là g?n ?úng.

Hình 6. B?n day nano carbon kim c??ng ?i?n hình ???c trang trí b?ng các nguyên t? nit? t? tài li?u [4]

5. S?c m?nh c? h?c

V?t li?u nano cacbon có r?t nhi?u tính ch?t ?i?n tuy?t v?i, nh?ng hi?n nay chúng ???c s? d?ng r?ng r?i ? tính nh? c? h?c: nguyên t? nh?, liên k?t b?n. Day nano cacbon có ??n v? c? b?n là kim c??ng. Li?u h? c?ng có ?? s?c m?nh? Nói m?t cách ??n gi?n, có. Nh? th? hi?n trong Hình 7, các tính toán cho th?y r?ng các day nano cacbon có m? ?un Young n?m trong kho?ng 800 ??n 930 GPa, có th? so sánh v?i kim c??ng t? nhiên (1220 GPa). T?t nhiên, ?? b?n c? h?c c?a v?t li?u m?t chi?u này là ??nh h??ng. ?ay v?a là nh??c ?i?m v?a là ?u ?i?m: v?t li?u này t?p trung t?t c? các c??ng ?? c? h?c theo m?t h??ng. M?t s? ng??i th?m chí còn t??ng t??ng r?ng s?i day nano carbon này có th? ???c s? d?ng ?? làm day cáp cho thang máy v? tr?.

Hình 7. M? ?un Young c?a ba lo?i day nano cacbon kim c??ng khác nhau t? tài li?u tham kh?o [5].

6. Lo?i tr?

Các day nano carbon kim c??ng g?n ?ay ?? gia nh?p gia ?ình l?n c?a v?t li?u nano carbon v?i c?u trúc m?t chi?u nghiêm ng?t và ?? b?n c? h?c cao. Trong quá trình nghiên c?u, v?i s? tr? giúp c?a s?c m?nh tính toán m?nh m?, th?ng qua tính toán nguyên t?c ??u tiên, có th? nghiên c?u c?u trúc phan t? nguyên t? day nano carbon, và có th? h? tr? vi?c gi?i thích các k?t qu? thí nghi?m và k?t qu? thí nghi?m có th? ???c phan tích sau h?n . Các day nano carbon, c?ng nh? nhi?u tính n?ng m?i thú v? khác c?a c?u trúc nano carbon, ?ang ch? ??i các tính toán ly thuy?t và xác minh th? nghi?m ?? khám phá.

Ng??i gi?i thi?u

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.; V??ng, T.; Du?n, 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. Chèm. Soc. 2018, 140, 4969 - 4972

4.Chen, B.; V??ng, T.; Crespi, VH; Badding, liên doanh; Hoffmann, R. Chem. Máy tính ly thuy?t. 2018, 14, 1131 - 1140

5. Zhan, H.; Zhang, G.; Tan, VBC; Cheng, Y .; Chu?ng, JM; Zhang, Y.-W .; Gu, Y. Kích th??c nano 2016, 8, 11177 - 11184