Розрахункове дослідження термодинамічних і кінетичних характеристик перегрупувань Стоуна-Вейлз в функціоналізованих нанотрубках
Введення
галогенирование нанотрубка регіохімія
Вуглецеві нанотрубки вже досить давно розглядаються в якості перспективних матеріалів для самих різних галузей науки і технології. Причиною цього є їх унікальні властивості, такі як висока механічна міцність при малій щільності матеріалу, високі щільності пропускається струму і т.д. Діапазон областей застосування нанотрубок вкрай великий, тягнучись від добавок-модифікаторів міцності конструкційних матеріалів до створення засобів доставки ліків.
Важливою особливістю нанотрубок є можливість формування в них дефектів структури, що порушують ідеальну одновимірну періодичність. Ці дефекти можуть виникати в процесі росту, очищення або під дією напруг. Одним з типових дефектів є перегрупування Стоуна-Вейлз (рис. 1), що складається в повороті на ~ 90 про однієї з С-С зв'язків. У результаті перегрупування піреновий фрагмент, в центрі якого лежала що повертається зв'язок, перетвориться в систему з двох семічленного і двох п'ятичленних циклів. Подібні дефекти впливають не тільки на міцність нанотрубки, але й на електронні властивості, часто у бік пониження ширини забороненої зони, а також на локальну реакційну здатність. Таким чином, впровадження дефектів може розглядатися як цікавий спосіб модифікації властивостей вуглецевих нанотрубок.
Рис. 1. Схема освіти перегрупування Стоуна-Вейлз
У зв'язку з цим, метою цієї дипломної роботи є квантово-хімічне дослідження термодинамічних характеристик і активаційних бар'єрів для перегрупувань Стоуна-Вейлз в галогенованих нанотрубках.
1. Літературний огляд
1.1 Освіта перегрупувань Стоуна-Вейлз в нанотрубках
Багато дослідницькі групи займалися теоретичними оцінками енергії освіти і активаційних бар'єрів перегрупувань Стоуна-Вейлз в нанотрубках під дією навантаження [1,7,11]. В роботі [1] M.B. Nardelli і його колеги розглядали утворення дефекту Стоуна-Вейлз в нанотрубках типу крісло під дією одновісного розтягування. Розрахунки велися в рамках методу функціонала щільності [2] з використанням сіткових методів в реальному просторі [3] та параметризації PZ [4] обмінно-кореляційного функціоналу LDA [5], а також нелокальні зберігають норму псевдопотенціалів [6]. На рис. 2 показані графіки залежності енергії освіти і активаційних бар'єрів перегрупування Стоуна-Вейлз від величини деформації.
Рис. 2 Залежність енергії освіти і активаційних бар'єрів дефекту Стоуна-Вейлз від деформації.
Як з'ясувалося, для нанотрубок (5,5), (10,10) і (30,30) утворення перегрупування Стоуна-Вейлз стає енергетично вигідно при деформації близько 5%. Для (5,5) і (10,10) нанотрубок були також розраховані активаційні бар'єри. Як і очікувалося, енергія активації утворення дефекту Стоуна-Вейлз зменшувалася зі збільшенням деформації, але навіть при 20% розтягуванні активаційний бар'єр залишався на рівні 1,95 еВ. Оцінка для температури, при якій може відбуватися утворення дефектів у нанотрубці (5,5), становила 2000 К.
У роботі [7] автори статті провели молекулярно-механічне дослідження залежності енергії утворення дефекту Стоуна-Вейлз в нанотрубках різної симетрії від прикладається механічного напруги з атом-атомними потенціалами Tersoff-Brenner [8,9]. Найсуттєвіші результати перевірялися квантово-хімічними розрахунками в наближенні сильного зв'язку з стерпним вуглецевим потенціалом Ho [10], а також неемпіричних розрахунками, заснованими на многосеточние підході в реальному просторі. Для нанотрубок типу зигзаг або (n, 0), де n приймає значення від 10 до 20, були проведені розрахунки енергії утворення дефекту Стоуна-Вейлз, спрямованого під кутом до осі нанотрубки, при відносному подовженні в 10%. На рис. 3 продемонстрована залежність цієї характеристики від діаметра нанотрубки (для (n, 0) нанотрубок, де D=0,078n нм) і від хірального кута (для (10, m) нанотрубок, де).
Малюнок 3 Залежність енергії утворення дефекту Стоуна-Вейлз в нанотрубці при 10% деформації
Було знайдено, що при вказаній величині деформації виникнення дефекту вигідно в (n, 0) нанотрубках з n lt; 14. У той же час, в нанотрубках (10, m) з m від 0 до 10 перегрупування Стоуна-Вейлз виявилася енергетично вигідна при всіх розглянутих значеннях m.
В роботі [11] також вивчалася залежність енергії утворення дефекту і активаційних бар'єрів перегрупування Стоуна-Вейлз від деформації. Об'є...
