Динамика атомного остова нанотруб и их комплексов с литием и гелием

В настоящее время в литературе накоплен уже большой объем данных по атомной и электронной структурам нанотруб и их транспортным и жесткостным свойствам, в том числе – и прекрасные обзоры [1, 2] и книги [3]. Однако практически отсутствуют исследования динамики атомного остова нанотруб и их различных производных при высоких (порядка нескольких сот градусов Кельвина) температурах, что может представлять значительный интерес в ряде областей физики, химии и технологии. В этой главе кратко описываются молекулярно-динамические расчеты нанотруб и их эндо-производных с ионами лития и атомами гелия. Были исследованы следующие объекты:

 

1. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим окисленным концами, содержащим внутри атом гелия. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода INDO при температуре 700К (He@С90_5-5_(OH)10_700K_2ps_2.hin). 

 

2. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим закрытым концами, содержащим внутри атом гелия и два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода INDO при температуре 700К (HeLi2@С110_5-5_700K.hin).

 

3. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим закрытым концами, содержащим внутри два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода MNDO при температуре 300К (Li2@С110_5-5_300K.hin).

 

4. Нанотруба (5,5) с закрытыми концами, содержащим внутри два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода MNDO при температуре 300К (Li2@С150_5-5_300K.hin).

 

5. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим окисленным концами, содержащим внутри два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода MNDO при температуре 700К (Li2@С90_5-5_(OH)10_700K.hin).

 

6. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим окисленным концами, содержащим внутри атом гелия и два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода INDO при температуре 700К (HeLi2@С90_5-5_(OH)10_700K.hin).

 

7. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим гидратированным концами, содержащим внутри два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода MNDO при температуре 300К (Li2@С90_5-5_H10_in_300K.hin).

 

8. Фрагмент нанотрубы (5,5) с одним полуоткрытым и другим гидратированным концами, содержащим внутри два иона лития. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось без учета симметрии в потенциале полуэмпирического метода MNDO при температуре 700К (Li2@С90_5-5_H10_in_700K_1ps).

 

9. Закрытая с обоих концов нанотруба (5,5), длинной около 100Å, внутри которой находится атом гелия. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось в потенциале MM+ метода молекулярной механники при температуре 700К (He@tube_5-5_L_700K_5ps.hin).

 

10. Закрытая с обоих концов нанотруба (5,5), длинной около 100Å, внутри которой находится два атома гелия. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось в потенциале MM+ метода молекулярной механники при температуре 700К (He2@tube_5-5_L_700K_5ps.hin).

 

11. Закрытая с обоих концов нанотруба (5,5), длинной около 100Å, внутри которой находятся три атома гелия. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось в потенциале MM+ метода молекулярной механники при температуре 700К (He3@tube_5-5_L_700K_5ps.hin).

 

12. Закрытая с обоих концов нанотруба (15,15), длинной около 100Å, внутри которой находится атом гелия. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось в потенциале MM+ метода молекулярной механники при температуре 700К (He@t-15_L_700K_5ps.hin).

 

Как видно из молекулярно-динамических фильмов, во всех случаях атомы инертных газов подвижны внутри нанотруб, тогда как ионы лития стремятся прикрепится к дефектам (открытым концам) или окисленным участкам (ОН-группам), в ряде случае закрывая путь для миграции атомам инертных газов. Моделирование поведения инертных газов в длинных одностенных и многостенных нанотрубах показывает, что в подобных комплексах возможно организовать анизотропный транспорт тепла вдоль нанотруб, носителем которого будут атомы инертных газов.

 

Еще одним интересным объектом, с точки зрения компьютерного моделирования, являются одностенные нанотрубки, свернутые в кольца. Подобного рода эксперименты были описаны в работах [4, 5]. Авторы этих статей обрабатывали суспензию одностенных нанотрубок в воде ультразвуком, в результате чего 50% их сворачивалось в кольца с характерным диаметром от 100 до 800 nm. Этот эффект авторы объясняли тем, что нанотрубки гидрофобные частицы и являются центрами образования кавитационных пузырьков, вокруг которых они и обвиваются. В свернутом состоянии такие объекты удерживаются благодаря силам Ван-дер-Ваальса. На рисунке 9.1 приведена фотография такого кольца из нанотрубки, положенного на золотой электрод.

 
Рисунок 9.1. Одностенная нанотрубка, свернутая в кольцо диаметром 600 nm и положенная на золотой электрод [5]. 

 


 

Компьютерные модели подобных структур можно посмотреть в директории Databank of structures/Nanotubes, файлы cycle_31680_H_20.hin (кольцо диаметром 100 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются атомами водорода), cycle_31680_OH_10_COOH_10.hin (кольцо диаметром 100 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются гидроксильными (OH) и карбоксильными (COOH) группами), cycle_6320_H_20.hin (кольцо диаметром 20 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются атомами водорода), cycle_6320_OH_10_COOH_10.hin (кольцо диаметром 20 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются гидроксильными (OH) и карбоксильными (COOH) группами), cycle_6320_OH_10_COOH_10_MM+.hin (кольцо диаметром 20 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются гидроксильными (OH) и карбоксильными (COOH) группами, эта структура была оптимизирована в силовом поле ММ+), cycle_9500_H_20.hin (кольцо диаметром 30 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются атомами водорода), cycle_9500_OH_10_COOH_10.hin (кольцо диаметром 30 nm и толщиной 0.7nm, химические связи на открытых концах оканчиваются гидроксильными (OH) и карбоксильными (COOH) группами). Все структуры, кроме оговоренной, были оптимизированы в силовом поле AMBER. Молекулярно-динамическое моделирование показало, что силы Ван-дер-Ваальса удерживают в связанном состоянии кольцо диаметром в 20 nm при 300К.

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ III.9.

[1] Ajayan P.M., Chem. Rev., 99, 1787 (1999).

[2].Елецкий А.В., УФН 167, 945 (1997).

[3] Ивановский А.Л., «Квантовая химия материаловедении. Нанотубулярные формы вещества», Екатеринбург, УрО РАН, 1999.

[4] Martel R., Shea H.R., Avouris P., Nature, 398, 299 (1999)

[5] Martel R., Shea H.R., Avouris P., Phys. Chem. B103, 7551-7555 (1999)