納米粒子誘導(dǎo)石墨烯卷曲及形態(tài)演變.pdf

1、石墨烯是由單層碳原子通過sp2雜化緊密堆積成的具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維碳材料。石墨烯自2004年發(fā)現(xiàn)以來，由于其具有特殊的納米結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的性能，已在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用潛能，引起了各領(lǐng)域科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。具有單原子層厚度二維材料石墨烯的成功制備，似乎違背了二維晶體不能穩(wěn)定存在的傳統(tǒng)觀點。雖然近期理論模擬和透射電鏡實驗結(jié)果都認為微觀扭曲是石墨烯在有限溫度下能夠穩(wěn)定存在的根本原因，但石墨烯表面

2、納米級別的扭曲能在多大程度上穩(wěn)定其二維結(jié)構(gòu)，或者說什么因素能引發(fā)石墨烯的平面狀結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，到目前為止，還沒有統(tǒng)一的理論能夠完整的描述，相關(guān)的基本物理和化學(xué)問題也亟待解決。而且，目前對于石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用研究都是以其二維平面狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。由于尺寸或外界環(huán)境引起的卷曲、折疊或其他形變，會導(dǎo)致石墨烯失去其理想的機械、光學(xué)和導(dǎo)電等特性。因此研究石墨烯的不穩(wěn)定性及相變條件、過程及機制是一個非常重要的課題，對石墨烯的實際應(yīng)用至關(guān)重要。
　

3、　 本論文以石墨烯和納米粒子為重點研究對象，旨在通過分子動力學(xué)模擬(moleculardynamicssimulation,MD)的方法對石墨烯和納米粒子之間的相互作用進行深入的研究和探討，揭示納米粒子誘發(fā)的石墨烯不穩(wěn)定性，分析石墨烯的自卷曲包覆行為及結(jié)構(gòu)演化機制，并探索相互作用機理。論文的主要內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　 (1)通過分子動力學(xué)模擬研究了石墨烯和金屬Ni納米線之間的自組裝行為，探討了石墨烯手性和金屬納米線的尺寸、

4、形狀對石墨烯穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)Ni納米線能夠幫助石墨烯克服能壘，并提供驅(qū)動力激發(fā)石墨烯在其表面快速的自卷曲。勢能曲線顯示石墨烯的自卷曲是一個能量降低的過程。利用這種自卷曲行為，實現(xiàn)了石墨烯包覆金屬納米線從而獲得了石墨烯卷與金屬納米線的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。石墨烯與金屬納米線的自組裝行為從理論上提供了一種簡便地制備金屬/碳核殼結(jié)構(gòu)的方法，與傳統(tǒng)的制備方法相比較，這種自組裝方法可在室溫下進行，并且兩種組成部分的尺寸、結(jié)構(gòu)等可以被精確控制。該方

5、法遠比把金屬填充到碳納米管里更簡便，這對石墨烯的實際應(yīng)用具有非常重要的意義。
　　 (2)在上一部分的基礎(chǔ)上，進一步研究了石墨烯與金屬Fe納米線之間的相互作用，探討了石墨烯尺寸、石墨烯和納米線的相對位置對石墨烯穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明石墨烯的平面狀二維結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，處于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)其亞穩(wěn)態(tài)被打破的時候，其結(jié)構(gòu)就會發(fā)生突變。體系勢能的降低表明石墨烯在Fe納米線表面的自卷曲是自發(fā)的，且體系在這個過程中越來越穩(wěn)定。石墨烯的自卷曲和

6、最終形成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以通過石墨烯和Fe納米線的相對位置、初始角和石墨烯的寬度進行控制。利用分子動力學(xué)模擬結(jié)合密度泛函理論和熱力學(xué)揭示了石墨烯和金屬納米線之間的相互作用機理。推導(dǎo)出了石墨烯發(fā)生相變的條件及驅(qū)動力，提出的熱力學(xué)模型可以預(yù)測由Fe納米線誘導(dǎo)的石墨烯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程，并利用該模型解釋了石墨烯不穩(wěn)定性及自卷曲包覆行為。
　　 (3)系統(tǒng)研究了石墨烯納米帶與單壁碳納米管之間的相互作用，探討了石墨烯納米帶的寬度和碳納米管的手性

7、及尺寸對石墨烯納米帶形態(tài)的影響，并解釋了相互作用機理，加深了對二維材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的認識。實現(xiàn)了石墨烯納米帶對碳納米管外壁自發(fā)的螺旋纏繞以及對碳納米管內(nèi)受限空間有效填充。石墨烯納米帶螺旋依附在碳納米管管壁形成了牢固的復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)碳納米管的空腔被石墨烯納米帶填滿以后，石墨烯納米帶的頭部會被先前形成的螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間捕獲，在碳納米管的一端形成雙層的螺旋結(jié)構(gòu)。兩根石墨烯納米帶則在碳納米管外壁及內(nèi)腔中形成類似雙鏈DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。石墨烯納米帶

8、形成的螺旋結(jié)構(gòu)非常類似于自然界中常見的螺旋。石墨烯納米帶螺旋的形成是范德華相互作用、錯位面對面π-π堆積和石墨烯納米帶邊緣懸鍵共同作用的結(jié)果。螺旋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是能量最小、結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定、最大限度占有空間的客觀要求。石墨烯納米帶對碳納米管螺旋纏繞的速度明顯低于其螺旋填充碳納米管的速度。碳納米管的直徑和手性對石墨烯納米帶纏繞速度的影響很小，但是螺旋填充的速度受碳納米管直徑的影響非常明顯。從理論上證明了石墨烯納米帶可以作為傳送帶在納米尺度空間實現(xiàn)藥