局所的量子分子動力学法による単層ナノチューブ生成機構の解明

利用局域量子分子动力学方法阐明单壁纳米管形成机制

基本信息

批准号：
10875047
负责人：
丸山茂夫
金额：
$ 0.58万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至 1999
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10875047/
关键词：
単層炭素ナノチューブ分子動力学法生成機構量子効果

项目摘要

高温オーブン・レーザー蒸発フラーレン生成装置やアーク放電フラーレン生成装置において,炭素ナノチューブが生成することが分かっているが,通常生成されるナノチューブは,チューブが何重にも入れ子状になった多層チューブであり,単層のナノチューブの生成には炭素材料にNiやCoなどの金属を添加することが必要である.本年度試作した高温オーブン・レーザー蒸発装置においてもNiとCoを添加した炭素材料を用いて,単層ナノチューブが生成されることを確認している.本研究では金属原子あるいは金属クラスターと干渉しながら単層炭素ナノチューブが生成する過程を分子シミュレーションによって予測することが最終目標であったが,特に,ナノチューブ生成の初期過程において,金属原子と炭素クラスターが相互作用する部分に注目した.ここで,金属原子としてNiに着目したが,同様の実験条件でScやLaを炭素材料に添加すると金属原子を内包したフラーレンが生成されることから,比較のためにScとLaについても計算を行った.最初に,金属原子 (Ni,Sc,La) と炭素原子との原子間ポテンシャルを密度汎関数法(B3LYP) を用いた量子計算の結果に基づいて構築した.炭素原子と金属原子との相互作用は炭素―炭素間の共有結合を表現するTersoff型のポテンシャルをベースとし,炭素クラスターと金属原子間の電荷移動を量子計算により見積もり,これに基づくクーロン力を加えて表現した.このポテンシャルを用いた古典分子動力学法シミュレーションの結果,LaやScの場合はフラーレンに内包されたが,Ni原子は,フラーレン構造に近いクラスターの大きな環状の穴部分に付着して,あたかも閉じたフラーレン構造の形成を阻止するかのように働くことが分かった.このように,フラーレンケージ形成をNi原子が妨害することが単層ナノチューブ生成につながると考えられる.

众所周知，碳纳米管是在高温炉/激光蒸发富勒烯生产设备和电弧放电富勒烯生产设备中生产的，但通常生产的纳米管是多层管，其中管子嵌套多次，单层。为了生成纳米管，需要在碳材料中添加镍和钴等金属。在今年原型的高温炉/激光蒸发装置中，使用添加了镍和钴的碳材料生产单壁纳米管。已确认该书已生成。该研究的最终目标是利用分子模拟来预测单壁碳纳米管与金属原子或金属簇相互作用时形成的过程。在这里，我们重点关注镍作为金属原子，但出于比较目的。在类似的实验条件下，当将Sc或La添加到碳材料中时，会产生含有金属原子的富勒烯。首先，对Sc和La进行了计算。 (Ni,Sc,La) 和碳原子之间原子间势的密度泛函理论 (B3LYP)碳原子与金属原子之间的相互作用是基于表示碳与碳之间的共价键的Tersoff型势，并且通过量子计算来估计碳簇与金属原子之间的电荷转移，并通过在基础上添加库仑力来表示。这种势。使用这种势的经典分子动力学模拟分析结果显示，对于La和Sc，它们被封装在富勒烯中，但Ni原子附着在接近富勒烯结构的簇的大环形孔上，似乎阻止了封闭富勒烯的形成因此，人们认为Ni原子对富勒烯笼的形成的干扰导致了单壁纳米管的形成。