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(guò)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(lái)，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(diǎn)。雖然近期理論模擬和透射電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果都認(rèn)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(jí)別的扭曲能在多大程度上穩(wěn)定其二維結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)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(méi)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(wèn)題也亟待解決。而且，目前對(duì)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(huì)導(dǎo)致石墨烯失去其理想的機(jī)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(guò)程及機(jī)制是一個(gè)非常重要的課題，對(duì)石墨烯的實(shí)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(diǎn)研究對(duì)象，旨在通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬(moleculardynamicssimulation,MD)的方法對(duì)石墨烯和納米粒子之間的相互作用進(jìn)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(jī)制，并探索相互作用機(jī)理。論文的主要內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　 (1)通過(guò)分子動(dòng)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(duì)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(dòng)力激發(fā)石墨烯在其表面快速的自卷曲。勢(shì)能曲線顯示石墨烯的自卷曲是一個(gè)能量降低的過(guò)程。利用這種自卷曲行為，實(shí)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(jiǎn)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(jìn)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(yuǎn)比把金屬填充到碳納米管里更簡(jiǎn)便，這對(duì)石墨烯的實(shí)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(jìn)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(duì)位置對(duì)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(shí)候，其結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生突變。體系勢(shì)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(gè)過(guò)程中越來(lái)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(guò)石墨烯和Fe納米線的相對(duì)位置、初始角和石墨烯的寬度進(jìn)行控制。利用分子動(dòng)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(jī)理。推導(dǎo)出了石墨烯發(fā)生相變的條件及驅(qū)動(dòng)力，提出的熱力學(xué)模型可以預(yù)測(cè)由Fe納米線誘導(dǎo)的石墨烯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)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(duì)石墨烯納米帶形態(tài)的影響，并解釋了相互作用機(jī)理，加深了對(duì)二維材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)。實(shí)現(xiàn)了石墨烯納米帶對(duì)碳納米管外壁自發(fā)的螺旋纏繞以及對(duì)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(huì)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(jiàn)的螺旋。石墨烯納米帶螺旋的形成是范德華相互作用、錯(cuò)位面對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)藥