碳納米材料設(shè)計及相關(guān)物理問題研究.pdf

1、傳統(tǒng)的新材料研發(fā)過程,大都以“炒菜式”的方式進(jìn)行,即在實驗室規(guī)模上進(jìn)行大量的制備嘗試,從中“偶爾”發(fā)現(xiàn)一些新材料及相應(yīng)的制備方法。近二十年來,人們在納米材料(即至少一個維度的尺度小于100nm的凝聚態(tài)材料)的研發(fā)過程中大都采用了類似的研究方式。雖然,由于計算機技術(shù)的發(fā)展,基于現(xiàn)代物理的理論計算已能廣泛的根據(jù)化學(xué)組分預(yù)測納米材料的原子、分子構(gòu)型以及相應(yīng)的物理化學(xué)特性,對“炒菜式”實驗有一定指導(dǎo)意義,但是已有理論方法尚不能有效的解答如下問題

2、:1.制備(合成)具有期望原子分子構(gòu)型(具有特定物理、化學(xué)性質(zhì))的納米材料的最佳條件是什么?2.特定結(jié)構(gòu)的納米材料的常溫壽命如何?3.由多原子組成的納米粒子,其最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)如何,該結(jié)構(gòu)通常是否以最大幾率在生長過程中形成?顯然,如果能夠從理論上有效的回答這些問題,將極大的改變傳統(tǒng)的研發(fā)方式,使人們能夠按照預(yù)期的“樣式”和特性“訂做”納米材料。
　　考慮到碳元素具有豐富的成鍵類型,是自然界形成材料種類最豐富的一種元素,本文以碳納米材料的

3、設(shè)計為例,圍繞上述納米材料設(shè)計的基本物理問題,開展了以下工作:
　　提出了利用小碳團簇制備均一尺度大團簇的實驗方案,并通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)可通過簡單的控制溫度的方法,獲得不同結(jié)構(gòu)的均一尺度碳團簇,豐富了現(xiàn)有團簇的種類;提出了拉伸石墨烯制各一維單原子碳鏈、摻雜碳鏈以及利用碳鏈連接表面納米結(jié)構(gòu)的實驗方案,并通過三種水平的分子動力學(xué)計算(經(jīng)典、半經(jīng)典和第一性原理)證明了這些實驗方案的可行性,為實驗制備長程自由單原子碳鏈提供了一個新途徑

4、。
　　發(fā)展了一套用于團簇結(jié)構(gòu)全局優(yōu)化的時間倒流準(zhǔn)動力學(xué)方法。我們使用該方法優(yōu)化了38個原子在Lennard-Jones勢作用下組成的團簇及C60團簇,迅速得到了兩種團簇的最低勢能構(gòu)型,其優(yōu)化效率明顯優(yōu)于常用退火方法;關(guān)于小碳團簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果也優(yōu)于遺傳算法優(yōu)化的結(jié)果[Chem.Phys.Lett.364213,2002]。該方法還可以用于尋找團簇較低勢能的異構(gòu)體,這些異構(gòu)體在動力學(xué)生長過程中以可觀幾率形成。
　　基于玻爾茲