水溶液中碳纳米管的自组装结构研究文献综述

 2022-11-18 03:11

文 献 综 述

前言

碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入,其广阔的应用前景也不断地展现出来。利用自组装技术实现碳纳米管的有序排列对碳纳米管的应用开发有重大意义,通过自组装制备的各种相关器件可以被广泛的应用于碳纳米管的光电器件,存储器件以及其他各种新型纳米器件。然而,由于传统实验方式高昂的费用和苛刻的条件限制,很多关于碳纳米管的自组装的实验不能进行。因此,根据分子动力学的模拟计算成了研究碳纳米管性能的最快捷有效的方式。

正文

碳纳米管(CNT)由石墨薄片沿着一定方向卷起构成,因此可以根据石墨烯六边形网格与轴向的夹角,把CNT分为三种:螺旋型,锯齿型,扶椅型。锯齿型和扶椅型夹角分别为0°和30°,不产生螺旋所以没有手性;螺旋型夹角在0°-30°之间,有手性。同时我们也可以根据石墨薄片的层数将CNT分为两类:单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米(MWNT)【3】。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高,不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高,抗冲击性能好。同时,它在水溶液中自上而下组装的性质可以用来制作有特定的电子属性和可用于构建有用的独特的纳米线电容器,或其他分子电子元件或者设备。

CNT自组装机制

在水溶液中,两个不同直径的单壁碳纳米管中,直径较小的碳纳米管可以自发进入到直径较大的碳纳米管,完成同轴组装。相应的,多壁碳纳米管在恰当的溶液环境中也可以分开成多个独立的单壁碳纳米管【1】。这种自发的组装的主要作用力是管间范德华相互作用力。理解水溶液中碳纳米管的自组装原理是掌握碳纳米管性质的最根本要求。

在Zou, J. etc.的分子动力学模拟中,他将长度相同,直径不同的两个碳纳米管(5,5)(10,10)边沿相距0.2nm同轴放置,当t=0.5ps时,直径较小的碳纳米管开始进入直径较大的一个,直到t=20ps时,整个小碳纳米被包裹在较大直径的碳纳米管中,自组装基本完成。之后,由于惯性力和管间范德华吸引力,直径较小的碳纳米管会有轻微的震荡,经过一段时间后,震荡会逐渐消散,纳米管结构达到平衡状态。当这是因为CNT-CNT间范德华作用力急剧下降,而两个碳纳米管与水分子的相互作用力分别缓慢上升,所以下降的范德华作用能远远大于将水分子排出碳纳米管所需要的能量【1】。相应的,我们也可以通过将CNT-CNT之间的作用力减半或者将CNT-water之间的作用力加倍来阻止这种自组装过程。

另外,适当直径的碳纳米管不仅可以自组装成双壁碳纳米管,还可以组装成多壁碳纳米管。随着两碳纳米管之间直径差的增加,自组装速率越来越慢。如果较大直径的碳纳米管直径太大,自组装过程会偏离轴向,向着一边内壁靠近;如果直径太小,则较小的碳纳米管不能游入。手性在碳纳米管的自组装中不发挥任何作用,压力也不会影响自组装过程。但是随着温度的升高,分子的迁移率增加,因此自组装的速率也随之增加。总的来说,为了确保自组装的完成,两碳纳米管的半径差应该在0.335nm到0.36nm之间。

这种自上而下的自组装具有极大的应用前景。这种自组装机制可以用来为新颖的纳米机器或者设备构建控制中心。而且不同手性的单壁碳纳米管可以组装成有一定电子特性的多壁碳纳米管,用来构建有用的独特的纳米线、电容器、或其他分子电子元器件或设备。

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