碳納米環(huán)塌縮過程的結構演變及螺旋自組裝.pdf

1、納米螺旋自組裝結構，因具備完美的幾何結構，優(yōu)異的自適應性，特殊的納米尺度效應等優(yōu)勢，逐漸引起科研工作者的關注。目前，微型納米螺旋自組裝器件的開發(fā)應用依賴于納米螺旋結構的設計與研究。大直徑碳納米環(huán)由于自身熱力學不穩(wěn)定性，容易塌陷成雙層條帶結構，從而為螺旋結構的形成提供必備的條件。而關于碳納米環(huán)螺旋結構的研究一直處于空白狀態(tài)，因此研究基于碳納米環(huán)的螺旋結構將對新型螺旋結構的設計具有非常重要的理論指導意義。
　　本論文中，運用分子動力學

2、方法對基于碳納米環(huán)的螺旋自組裝系統(tǒng)進行原子尺度模擬。主要研究碳納米環(huán)在不同誘導核芯作用下的塌陷、纏繞過程，分析結構演變過程中的能量變化，揭示碳納米環(huán)與不同核芯的自組裝機理。論文主要研究成果如下:
　　(1)通過分子動力學方法對碳納米環(huán)與碳納米管之間的結構演變機理進行模擬。研究表明，碳納米環(huán)放置在碳納米管一端開口處時，能夠被納米管空腔捕獲，實現(xiàn)對空腔的嵌入填充，形成類似DNA的雙螺旋結構。同時，碳納米環(huán)靠近碳納米管外壁時，能夠在范德

3、華吸引力作用下，發(fā)生塌陷，其圓形截面逐漸變形為橢圓形，△型，最終形成雙層條帶結構，并以一定的螺距螺旋包覆在碳納米管外壁。通過研究尺寸因素對嵌入自組裝系統(tǒng)的影響表明，對軸向長度確定的納米環(huán)而言，碳納米管直徑值需超過某一閾值才能保證納米環(huán)的順利螺旋填充。兩碳納米環(huán)分別放置在納米管兩端開口處進行模擬時，在空腔中亦呈現(xiàn)出完美的螺旋結構。納米環(huán)開口邊緣碳原子的σ-軌道懸鍵可攜帶修飾集團螺旋填充進入納米管空腔，因此納米環(huán)可作為受限空間的運輸載體傳送

4、藥物、基因等。
　　(2)對碳納米環(huán)與Al納米線誘導核芯之間的作用機理進行研究。碳納米環(huán)在Al納米線核芯誘導下發(fā)生塌陷，形成雙層螺旋結構包覆在Al納米線表面。Al納米線誘導核芯的截面形狀變化以及微小的粗糙度變化對螺旋纏繞幾乎沒有影響，但是螺旋自組裝構型對碳納米環(huán)的直徑和軸向長度變化非常敏感。碳納米環(huán)直徑需滿足一定的閾值，保證范德華作用力能夠克服納米環(huán)形變能;同時，納米環(huán)軸向長度需低于某一閾值，保證軸線的自由偏移。飽和碳納米環(huán)自組裝

5、結果表明，螺旋殼核復合結構具有最低的能量，最穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　(3)進一步針對碳納米環(huán)與Ni納米線自組裝系統(tǒng)的結構演變過程進行研究。在范德華作用力和錯位面對面堆積作用兩者的共同作用下，Ni納米線核芯依舊能夠誘導碳納米環(huán)發(fā)生螺旋包覆。因此，碳納米環(huán)在金屬納米線誘導下發(fā)生螺旋纏繞是一種普遍現(xiàn)象，且尺寸因素等對螺旋過程的影響規(guī)律一致。
　　本論文的研究結果從原子尺度揭示了碳納米環(huán)自組裝系統(tǒng)的結構演變過程，有助于幫助我們理解碳納米環(huán)