稀有氣體原子注入納米碳管的動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、納米碳管(Carbonnanotube，CNT)是碳家族中的新成員，它是理想的、分子級(jí)的準(zhǔn)一維納米材料，結(jié)構(gòu)的特殊性使得它具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。納米碳管具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，開口的納米碳管可以用作納米級(jí)化學(xué)試管、虹吸管、儲(chǔ)氣材料、納米器件等。因此，研究其它物質(zhì)注入納米碳管形成復(fù)合物的機(jī)制，在揭示物化特性、儲(chǔ)氫機(jī)理等方面具有特殊的理論意義，并可促進(jìn)相關(guān)的儲(chǔ)氣材料和納米器件的開發(fā)，其實(shí)用價(jià)值不可低估。 然而，納米碳管的納

2、米級(jí)尺寸、復(fù)雜的測(cè)試方法及昂貴的測(cè)試設(shè)備在很大程度上限制了人們對(duì)它的了解和研究。因此使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法和簡(jiǎn)化的物理模型，對(duì)其進(jìn)行模擬就顯得更為實(shí)用。由于納米碳管包含的原子數(shù)目非常多，無法直接進(jìn)行解析求解：用量子化學(xué)方法其計(jì)算量會(huì)大得驚人，因而不太現(xiàn)實(shí)；從頭計(jì)算中需要引入標(biāo)度因子而增加了計(jì)算結(jié)果的不確定性。然而半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可以克服以上的困難，從而成為研究納米碳管的可靠且有效的計(jì)算方法。 本論文采用TLHT勢(shì)和經(jīng)典

3、分子動(dòng)力學(xué)方法(ClassicalMoleculardynamics，CMD)，研究了稀有氣體原子(He、Ne、Ar、Kr、Xe)注入單壁納米碳管(Single-wallcarbonnanotube，SWCNT)的動(dòng)力學(xué)行為。 首先，模擬了稀有氣體原子注入缺陷性單壁納米碳管的過程。計(jì)算出稀有氣體原子分別從管壁缺陷處和管口處入射時(shí)，它們能封裝在單壁納米碳管中的能量閾值Ek0，并與理想結(jié)構(gòu)情形做了比較。模擬結(jié)果表明：隨著管壁缺陷半徑

4、r的增加，Ek0減?。划?dāng)r小于4.5(A)時(shí)，給定合適的初始動(dòng)能，稀有氣體原子能封裝在納米碳管中；而r為4.5(A)時(shí)，稀有氣體原子不能封裝在碳管中，且此時(shí)缺陷對(duì)Ar、Kr和Xe的輸運(yùn)特性有很大影響，即它們不再是從另一端管口跑出，而是從缺陷處跑到管外。經(jīng)過分析得出：管壁缺陷也是其它物質(zhì)進(jìn)入碳管形成內(nèi)嵌復(fù)合物的位置，而且3.5(A)是封裝稀有氣體原子的最佳缺陷半徑。 然后，模擬了稀有氣體原子從管口注入單壁納米碳管的動(dòng)力學(xué)過程。計(jì)算

5、得出SWCNT能吸入稀有氣體原子的管徑閾值r0分別為6.264(A)，7.046(A)，8.612(A)，8.612(A)，8.61(A)，同時(shí)計(jì)算了此時(shí)對(duì)應(yīng)的每種稀有氣體原子能封裝在不同管徑的單壁納米碳管中的最大初始動(dòng)能。計(jì)算得到的結(jié)果是：封裝在納米碳管中的稀有氣體原子在管中不停地作周期性振蕩，振蕩周期與原子進(jìn)入管中的能量無關(guān)，振幅與原子進(jìn)入管中的能量有關(guān)，即振幅隨著入射能量的增加而增加，同時(shí)對(duì)其物理機(jī)制作了詳細(xì)的分析。研究表明：給定