納米金剛石的組裝規律與分散性質研究

《納米金剛石的組裝規律與分散性質研究》是依託西安交通大學，由趙翔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米金剛石的組裝規律與分散性質研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙翔
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

納米金剛石團聚體的組裝規律和分散方法問題是目前限制其套用與進一步研究的瓶頸問題。本項目將採用密度泛函理論計算方法和分子動力學模擬方法，重點研究和探討納米金剛石團聚體中納米金剛石單體的組裝規律，通過計算模擬納米金剛石在不同溫度條件下的結構轉變方式，建立起與實驗結構信息相符的納米金剛石團聚體組裝模型，達到完整重現納米金剛石團聚體的真實結構的目標，並通過計算納米金剛石單體結構的電荷密度分布情況，兼顧單體表面官能團的影響，計算團聚體中單體之間的靜電作用和非靜電作用相互作用強度，達到定量表征在不同分散環境下納米金剛石團聚體中單體之間相互的強度，最終闡明在不同的分散條件下納米金剛石團聚體的分散機制，達到給出實驗上可行的納米金剛石團聚體的分散方法的目的。本項目在納米金剛石團聚體分散方面、納米金剛石單體套用研究方面有重要的科學探索意義。

結題摘要

5nm納米金剛石以其優異的催化活性和生物相容性在載藥、化學催化等領域有著非常好的套用前景。5nm納米金剛石有著一些奇特現象。例如，在結構轉化方面，納米金剛石在一定條件下會自發的進行石墨化轉變，其(111)表面會從外向內的層層剝落，最終轉化為巴基金剛石和洋蔥碳結構的混合物。但是轉變機制尤其是轉變過程的結束點還不完全清楚。在穩定性方面，TGA升溫實驗發現，納米金剛石在升溫到一定程度時會發生爆炸式燃燒，或劇烈的質量損失並轉變為多孔碳材料。在電子性質方面，5nm納米金剛石在溶液中表現出正的zeta電勢，理論計算結果卻指出其部分表面帶有正電勢，因而其表面電學特性還沒有被完全揭示。 按照基金項目的研究計畫，2012年1月-2015年12月四年期間，我們採用了多種理論計算方法，系統深入地研究了納米金剛石的結構、穩定性、電子性質以及分散性質等，得到了一些非常有意義的研究結果: 一，用熱力學方法研究了納米金剛石的石墨化過程、納米金剛石結構轉變過程中決定石墨化程度的因素以及石墨化過程的最終產物結構，發現在石墨化轉變過程中，對應的生成焓曲線含有若干峰和谷，谷的位置是由懸掛鍵的數目決定的，同時石墨化過程將終結於生成焓曲線所谷對應的位置。如果納米金剛石的（111）面沒有懸掛鍵，或懸掛鍵位於其他晶面上，石墨化過程將不會發生。 二，通過第一性原理計算方法，我們發現在石墨化過程中，隨著懸掛鍵從納米金剛石(111)表面向內部的轉移，該表面的電子會發生重新排布，表面的電勢也會出現一個從負電勢到正電勢的轉變。 三，通過分子動力學方法，我們探索了納米金剛石在TGA升溫實驗中的結構變化，發現在溫度升高的過程中，它會經歷四個結構變化階段，最終轉換為多孔無定形碳。我們的模擬結果不僅給出了此無定形化結構變化過程的細節，而且可以很好的解釋實驗測量結果和此過程產生的原因。 四，通過第一性原理計算和蒙特卡洛方法，我們發現納米金剛石之間有非常強的范德華相互作用（其強度與碳碳單鍵的離解能相近）和較弱的靜電相互作用。 五，通過密度泛函理論計算，我們發現只有新形成的碳碳鍵與晶體主軸方向一致時，二維納米金剛石才會發生表面重構。 本課題的研究成果，無論對於納米尺度理論的研究還是納米材料的套用，都具有重要的科學價值與學術意義，為進一步研究揭示納米金剛石的新穎性質以及解決生產套用過程中的難點問題提供了非常有益的幫助。