Исследование свойств фуллеренов и нанотрубок методом молекулярной динамики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Корнилов, Дмитрий Александрович

• Корнилов, Дмитрий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Корнилов, Дмитрий Александрович

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1 История открытия фуллеренов и нанотрубок.

1.2. Фуллерены и нанотрубки в конденсированном состоянии.

1.3. Получение фуллеренов и нанотрубок.

1.4. Образование фуллеренов и нанотрубок.

1.5. Модели роста фуллеренов.

1.5.1. Сборка фуллеренов из фрагментов графита.

1.5.2. Модель улитки.

1.5.3. Правило пятиугольника.

1.5.4. Сборка из колец.

1.5.5. Путь фуллерена.

1.5.6. Отжиг углеродных кластеров.

1.5.7. Кристаллизация жидкого кластера в фуллерен.

1.5.8. Образование изомеров фуллеренов.

1.5.9. Фуллерены - зародыши сажевых частиц.

1.6. Механизмы роста нанотрубок и конусов.

1.6.1. Рост многооболочечных нанотрубок при помощи катализаторов.

1.6.2. Механизмы роста нанотрубок с многими оболочками.

1.6.3. Механизмы роста однооболочечных нанотрубок.

1.6.4. Зародыши роста нанотрубок.

1.6.5. Рост однооболочечных нанотрубок при помощи катализаторов.

1.6.6. Образование связок нанотрубок.

1.6.7. Образование углеродных конусов.

1.7. Молекулярно-динамическое моделирование образования фуллеренов и нанотрубок.

2. Методика моделирования.

2.1. Моделирование самоорганизации молекул.

2.2. Моделирование деформации молекул.

2.3. Программная реализация метода молекулярной динамики «зарядов на связях».

3. Самоорганизация фуллеренов и нанотрубок.

3.1 Самоорганизация фуллеренов.

3.1.1. Результаты моделирования самоорганизации малых фуллеренов.

3.1.3. Результаты моделирования самоорганизации фуллерена Ceo.

3.1.4. Обсуждение результатов.

3.2 Самоорганизация нанотрубок.

3.2.1. Методика компьютерного эксперимента.

3.2.2. Результаты моделирования самоорганизации нанотрубок.

3.2.3. Обсуждение результатов.

4. Конформационные переходы в малых углеродных кластерах.

4.1. Конформации малых углеродных кластеров.

4.2. Циклогексан и бензол.

4.2.1. Методика компьютерного эксперимента.

4.2.2. Конформационные переходы в циклогексане.

4.2.3. Конформационные переходы в бензоле.

4.3. Нафталин.

4.3.1. Методика компьютерного эксперимента.

4.3.2. Конформационные переходы в нафталине.

4.4 3-х циклические углеродные кластеры.

4.4.1 Методика компьютерного эксперимента.

4.4.2 Конформационные переходы в трехциклических углеродных кластерах.

4.5 Обсуждение результатов.

5. Деформация нанотрубок.

5.1. Результаты моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование свойств фуллеренов и нанотрубок методом молекулярной динамики»

Открытие фуллеренов в 1985 г. Ричардом Смолли, Робертом Кёлом и Гарольдом Крото (Нобелевская премия по химии за 1996 г.) и открытие нанотрубок в 1991 году Суоми Ииджима положили начало систематическому исследованию поверхностных структур углерода [1]. Одной из самых важных проблем физики конденсированного состояния является определение структуры материалов, а так же путей ее достижения в ходе структурной эволюции.

Выяснение структурной эволюции с помощью различных экспериментальных методов встречает на своем пути трудности различного рода. Экспериментальные методы позволяют получить лишь косвенные данные о динамике процессов, происходящих при формировании структуры, поэтому наряду с экспериментальными методами для изучения структурной организации применяют методы компьютерного моделирования, главным образом, метод молекулярной динамики. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет получать такую информацию о процессе, которая, как правило, совершенно недоступна в реальном эксперименте. Это в свою очередь дает широкую возможность для перехода от феноменологического описания к созданию строгой физической теории.

В настоящее время преимущество метода молекулярной динамики остается мало использованным в изучении процессов самоорганизации и различных свойств углеродных структур. При всем этом за последние годы на кафедре физики металлов и компьютерного моделирования в материаловедении был достигнут немалый прогресс в области изучения самоорганизации полимеров и биополимеров, а так же в изучении поведения этих материалов при деформации.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. На основе созданного ранее алгоритма для изучения самоорганизации полимеров разработать программные средства для моделирования самоорганизации фуллеренов и нанотрубок.

Введение5

2. В отличие от применявшихся ранее методов разработать подход, в 4 котором одновременно изучаются свойства электронной и ионной подсистем исследуемых материалов.

3. Изучить динамику процессов формирования фуллеренов и углеродных нанотрубок и Определить наиболее вероятные модели их образования.

4. Разработать методику для изучения механических свойств углеродных нанотрубок.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

• методом молекулярной динамики «зарядов на связях» исследован процесс образования фуллеренов и углеродных нанотрубок

• этим же методом исследована деформация углеродных нанотрубок.

• получены структуры фуллеренов и нанотрубок, совпадающие с наблюдаемыми экспериментально.

• обнаружены конформационные дефекты фуллеренов. Практическая значимость работы

В результате моделирования были найдены критерии формирования структуры фуллеренов и нанотрубок. Результаты работы указывают на необходимость учета дефектной структуры фуллеренов при анализе их свойств и практическом использовании. Была разработана методика для проведения компьютерных экспериментов по изучению деформации углеродных нанотрубок, которая может быть распространена и на другие материалы.

Основные положения, выносимые на защиту

• методика моделирования самоорганизации фуллеренов и нанотрубок

• закономерности формирования структур фуллеренов и нанотрубок

• конформационные дефекты в фуллеренах

• диаграммы растяжения углеродных нанотрубок

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Корнилов, Дмитрий Александрович

6. Заключение v

Основными результатами данной работы является следующее:

1. Разработана модель молекулярной динамики «зарядов на связях» и программное обеспечение для изучения самоорганизации и механических свойств широкого спектра углеродных нанокластеров.

2. Проведено моделирование самоорганизации фуллеренов в диапазоне от С24 до Сбо- Полученные фуллерены обладают хорошей сферической формой. Показано влияние распределения электронов, не участвующих в образовании связей, на формирование и размер фуллеренов. Обнаружены конформационные дефекты в больших фуллеренах.

3. Исследованы конформационные переходы в малых циклических углеродных кластерах. Выявлены новые стабильные конформации: пропеллер - для одноциклических кластеров, двойной пропеллер — для двуциклических, а так же условия их формирования. Образование этих конформаций объясняются в рамках теории устойчивости. 4. Проведено моделирование самоорганизации открытых однослойных углеродных нанотрубок. Показано существование критического размера зародыша в виде плоского кластера, из которого возможно образование нанотрубки.

5. Исследована деформация углеродных нанотрубок различной хиральности. Определены механизмы развития деформации в нанотрубках при одноосном растяжении. Построены диаграммы растяжения нанотрубок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Корнилов, Дмитрий Александрович, 2003 год

1. Литература. 1. Ceo: Buckminsterfiillerene Kroto H.W., Heath J.R., OBrien S.C, Curl R.F., Smalley, R.E. //Nature. 1985. Vol. 318, P. 162.

2. Елецкий A.B., Смирнов Б.М. Кластер Сбо новая форма углерода УФН. 1991.Т. 161.№7.С. 173-192.

3. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода УФН. 1995. Т. 165. №9. 977-1009.

4. Лозовик Ю.Е., Попов A.M. Образование и рост углеродных наноструктур УФН. 1997. Т. 167. №7. 748-776.

5. Ijima S. Helical microtubules of graphitic carbon Nature. 1991. Vol. 354 P. 56

6. Елецкий A.B. Углеродные нанотрубки УФН. 1997. Т. 167. №9. 945.

7. Кристаллическая структура Сбо/Суо мембраны В.Ф. Мастеров, А.В. Приходько, Т.Р, Степанова, В.Ю Давыдов, О.И. Коньков ФТТ. 1998. Т. 40. №3. 580-583.

8. Apell Р., Ostling D. Collective resonances of carbon onions Solid State Communication. 1993. Vol. 87. №3. P. 219-222. 9. On the Coulomb interaction in carbon onions and their absorption spectra D. Ostling, A. Rosen, S. P. Apell, G. Mukhopadhyay Surface Review and Letters. 1996. Vol. 3. №1. P. 843-847. lO.Collective resonances of the Ceo molecule: effects of electron-density profile D. Ostling, A. Rosen, S. P. Apell, G. Mukhopadhyay J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1996. Vol. 29. P. 5115-5125.

9. Apell P., Ostling D. Calculations of the electronic structure of doped backminsterfuUerene Supplement to Z. Phys. 1993. Vol. 26. P. 279-281.

10. Спектр скоростей малых неупругих деформаций монокристалла Сбо в области фазового перехода при 250-260 К В.В. Шпейзман, Н.Н. Песчанская, В.М. Егоров, В.И. Николаев, Р.К. Николаев, Б.И. Смирнов ФТТ. 1999. Т. 41. вып. 6. 1115-1118.

11. Аномалии микроволновой проводимости в поликристаллической Сбомембране В.Ф. Мастеров, А.В. Приходько, О.И. Коньков, В.Ю Давыдов ФТТ. 1998. Т. 40. №3. 577-579.

12. Kroto H.W. The Stability of the Fullerenes Cn, with n 24, 28, 32, 36, 50, 60, and 70//Nature. 1987. Vol. 329. P. 529.

13. Structure of Single-Phase Superconducting Кз Ca I Stephens P.W., Mihaly L., Lee P.L., Whetten R.L., Huang S.-M., Kaner R., Deiderich F., Holczer K. Nature. 1991. Vol. 351. P. 632.

14. Isolation, Separation, and Characterization of the Fullerenes Сш and СУЗ: The Third Form of Carbon Taylor R., Hare J.P., Abdul-Sada A.K., Kroto H.W. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1990. P. 1423. 19. A Simple Chemical Method of Opening and Filling Carbon Nanotubes Tsang S.C, Chen Y.K., Harris P.J.F., Green M.L.H. Nature. 1994. Vol/ 372. P. 159.

15. Photophysics of Metal Complexes of Spheroidal Carbon Shells Weiss F.D., OBrien S.C, Elkind J.L., Curl R.F., Smalley R.E. J. Am. Chem. Soc. 1988. Vol. 110. P. 4464.

16. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls Bethune D. S., Kiang С H., DeVries M. S., Gorman G., Savoy R., Beyers R. Nature. 1993. Vol. 363. P. 605

17. Коровкин E.B., Николаев Р.К. ИК-фотопроводимость монокристаллов фуллереновСбо//ФТТ. 1999. Т. 41. вып. 6. 1113-1114.

18. Эффект оптического ограничения в системе холестерический жидкий кристалл-фуллерен В.В. Данилов, А.Г. Калинцев, Н.В, Каманина, А. Тульский ПЖТФ. 1998. Т. 24. Хо9. 66-69.

19. Диэлектрические свойства молекулярных комплексов Сбо А.А. Пронин, СВ. Демишев, Н.Е. Случанко, Н.А. Самарин, Д.В. Конарев, Р.Н. Любовская ФТТ. 2000. Т. 42. №3. 573-575.

20. Березкин В.И. Фуллерены как зародыши сажевых частиц ФТТ. 2000. Т. I i 42. №3. 567-572.

21. Saito Y., Kawabata К., Okuda М. Single-Layered Carbon Nanotubes Synthesized by Catalytic Assistance of Rare-Earths in a Carbon Arc The Journal of Physical Chemistry. 1995. Vol. 99. P. 16076

22. Kinetics of fullerene formation in contact arc generator Z. M. Markovic, B. M. Todorovic-Markovic, T. Lj. Jokic, P. Pavlovic, P. Stefanovic, J. Blanusa, T. Nenadovic Fullerene Science and Technology. 1998. Vol.6, issue 6. P. 1057-1068.

23. Гиллеспи P., Геометрия молекул. М: Мир, 1975.

24. Soloviev D.V., Melker A.L Formation, structure, and deformation of a polyethylene globule in confined geometry Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 1998. Vol 6. №4. P. 361-368.

25. Melker A.L, Soloviev D.V. Molecular dynamics study of polyethylene extension International Workshop on Nondestructive Testing and Computer t? Simulations in Science and Engineering. Proceedings of SPIE. 1999. Vol. 3687, P. 132-141. r>

26. Kraetschmer W. //Nature. 1990. Vol. 347. P. 354.

27. Дьячков П.Н., Кирин Д.В. Учет внутренней полости в методе линейных присоединений цилиндрических волн для электронной структуры нанотрубок. Доклады академии наук. 1999. Т. 369. №5. 639. 3В.Дунаевский СМ., Розова М.Н., Кленкова Н.А. Электронная структура графитовых нанотрубок ФТТ. 1997. Т. 39. №6. 1118.

28. Дедков Г.В., Рехвиашвили Ш. Нанотрубки и силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе ЖТФ. 1999. Т. 69. вып. 8. 124.

29. Kiang Н., Goddard III W.A., Beyers R., Salem J.R., Bethune D.S. Catalytic Synthesis of Single-Layer Carbon Nanotubes with a Wide Range of Diameters The Journal of Physical Chemistry. 1994. Vol. 98. P. 6612. 41.1jima S., Ichihashi T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter Nature. 1993. Vol. 363. P. 603.

30. Дедков Г.В., Рехвиашвили Ш. Нанотрубки и силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе ЖТФ. 1999. Т. 69. вып. 8. 124.

31. Direct synthesis of high-quality single-walled carbon nanotubes on silicon and quartz substrates Murakami Y., Miyauchi Y., Chiashi S., Maruyama S. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 377. P. 49-54.

32. Synthesis of single-walled carbon nanotubes with narrow diameter-distribution from fullerene Maruyama S., Miyauchi Y,, Edamura Т., Igarashi Y., Chiashi S., Murakami Y. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 375. 5-6. P. 553-559.

33. Yakobson B.I. Physical Property Modification of Nanotubes United States Patent No. 6,280,677 Bl. Aug. 28. 2001.

34. Yakobson B.I. Physical Property Modification of Nanotubes U.S. Patent Application. Attorney Docket 60/064,539 (09/186,396). 2000.

35. Compression of Carbon Nanotubes Filled with C60, CH4, or Ne:Predictions from Molecular Dynamics Simulations Ni В., Sinnott S. В., Mikulski P. Т., Harrison J. A. Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. 20. P. 205505

36. Macroscopic Ordered Assembly of Carbon Nanotubes Smalley R.E., Colbert D.T., Smith K.A., Walters D.A., Casavant M.J., Huffman СВ., Qin X., Yakobson B.I. U.S. Patent Application. Attorney Docket 002376.0840. 2000.

37. Single-Walled Carbon Nanotubes Catalytically Grown from Mesoporous Silica Thin Film Murakami Y., Yamakita S., Okubo Т., Maruyama S. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 375. №3-4. P. 393-398.

38. Characterization of Single-Walled Carbon Nanotubes Catalytically Synthesized from Alcohol Murakami Y., Miyauchi Y., Chiashi S., Maruyama S. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 374. №1-2. P. 53-58.

39. Kudin K.N., Scuseria G.E., Yakobson B.I. C2F, BN and С nano-shell elasticity by ab initio computations Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64. P. 235406/10.

40. Yakobson B.L, Avouris Ph. Mechanical Properties of Carbon Nanotubes Carbon Nanotubes. 2001. P. 287-329.

41. Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of Heat Conduction of a Finite Length Single-Walled Carbon Nanotube Micro. Thermophys. Eng. 2003. Vol. 7.№ LP.41-50.

42. Maruyama S., Shibuta Y. Molecular Dynamics in Formation Process of SWNTs Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2002. Vol. 387. P. 87-92.

43. Shibuta Y., Maruyama S. Molecular Dynamics Simulation of Generation Process of SWNTs Physica B. 2002. Vol. 323. №1-4. P. 187-189.

44. Samsonidze G.G., Yakobson B.L Kinetic theory of symmetry-dependent strength in carbon nanotubes Phys. Rev. 2001. B.LYakobson, "Polybuckyballs," American Scientist, 89 (2001):

46. Stress-induced fragmentation of multiwall carbon nanotubes in a polymer Matrix Wagner H. D., Lourie O., Feldman Y., Tenne R. Appl. Phys, Lett. 1998. Vol. 72. №2. P. 188-190.

47. Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of Heat Conduction of Finite Length SWNTs Physica B. 2002. Vol. 323. №1-4. P. 193-195.

48. Maruyama S. Endohedral Metallofullerene in Gas Phase Endoftillerenes: A New Family of Carbon Clusters. 2002. P. 273-293.

49. Maruyama S., Kohno M., Inoue S. Chemical Reaction of Metal-Carbon Binary Cluster Anions by FT-ICR Mass Spectrometer Fullerene 2000: Chemistry and Physics of Fullerenes and Carbon Nanomaterials. 2000. P. 309-319.

50. Yakobson B.I. Fullerene Polymers and Fullerene Polymer Composites Rev. of American Scientist. 2000.

51. Zhao Y., Yakobson B.I. Covalent Cross-Linking in Nanotube Materials: V Stability Analysis Appl. Phys. Lett. 2001.

52. Zhan-chun Tu Z.-C, Zhong-can Ou-Yang Single-walled and multiwalled carbon nanotubes viewed as elastic tubes with the effective Youngs moduli dependent on layer number// Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65. P. 233407.

53. Samsonidze Ge.G., Samsonidze Gu.G., Yakobson B.I. Thermodynamics and Kinics of Defect Formation in Strained Hexagonal Lattices J. Appl. Phys. 2001.

54. Maruyama S., Kohno M., Inoue S. FT-ICR Study of Chemical Reaction of Silicon Clusters Therm. Sci. Eng, 1999. Vol. 7. 6. P. 69-74.

55. Srivastava D., Barnard S. Molecular dynamics simulation of large-scale carbon nanotubes on a shared-memory architecture Proceedings of SuperComputing 97. 1997.

56. Formation Process of Empty and Metal-Containing Fullerene. -Molecular Dynamics and FT-ICR Studies Maruyama S., Yamaguchi Y., Kohno M., Yoshida T. Fullerene Science and Technology. 1999. Vol. 7. №4. P. 621-639.

57. Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Study on the Formation of Metallofullerene Fullerenes: Recent Advances in the Chemistry and Physics of Fullerenes and Related Materials. 1999. Vol. 7. P. 640-646. 76. Yu M.-F., Yakobson B.I., Ruoff R.S. Controlled Sliding and Pullout of Nested Shells in Individual Multiwalled Carbon Nanotubes J. Phys. Chem. В Lett. 2000. Vol. 104. P. 8764-8767.

58. Yakobson B.I., Samsonidze G., Samsonidze G.G. Atomistic Theory of Mechanical Relaxation in Fullerene Nanotubes Carbon. 2000. Vol. 38. P. 1675.

59. Zhao Y., Yakobson B. I., Smalley R. E. Dynamic Topology of Fullerene Coalescence Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. P. 185501.

60. Yakobson B.I., Avouris Ph. Mechanical Properties of Carbon Nanotubes Carbon Nanotubes. 2000. P. 293-333. SO.Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Study on the Formation of Metallofullerene The European Physical Journal D. 1999. Vol. 9. №1-4. P. 385-388.

61. Atomistic simulations of nanotube fracture Belytschko Т., Xiao S. P., Schatz G. C Ruoff R. S. //Phys. Rev. В., Vol. 65. P. 235430.

62. Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of the Fullerene Formation Process Chem. Phys. Lett. 1998. Vol. 286. №3-4. P. 336-342.

63. Topology and Energetics of the Mechanically Significant Defects in BN Nanotubes Bettinger H.F., Dumitrica Т., Scuseria G.E., Yakobson B.L Phys. Rev. B. Rapid Communications. 2002. Vol. 65.

64. Kwon Y.-K., Tom D., lijima S. «Bucky-Shuttle» Memory Device: Synthetic Approach and Molecular Dynamics Simulations Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82 P. 1-4.

65. Samsonidze Ge.G., Samsonidze G.G., Yakobson B.L Energetics of StoneWales Defects in Deformations of Monoatomic Hexagonal Layers Computational Materials Science. 2001. Vol. 24. P. 1000.

66. Maruyama S., Yamaguchi Y. A Molecular Dynamics Simulation for the Formation Mechanism of Fullerene Therm. Sci. Eng. 1995. Vol. 3. №3. P. 105-109.

67. Carbon Arc Generation of Сбо Haufler R. E., Chai Y., Chibante L. P. F., Conceicao J., Jin C, Wang L.-S., Maruyama S., Smalley R. E. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1991. Vol. 206. P. 627-638.

68. Thermionic Emission from Giant Fullerenes Maruyama S., Lee M. Y., Haufler R. E., Chai Y., Smalley R. E. Z. Phys. D. 1991. Vol. 19. P. 409-412.

69. Thompson J.M.T, Instabilities and Catastrophes in Science and Engineering ChichesterJohn Wiley Sons, 1982.

70. Plastic deformations in mechanically strained single-walled carbon nanotubes V Bozovic D., Bockrath M., Hafner J. H., Lieber С M., Park H., Tinkham M. Phys. Rev. B. 2003. Vol. 67. P. 033407. tr

71. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Parametric resonance of the transverse waves in polymer macromolecules: a reason for folding Nanobiology. 1996. Vol. 4. P. 71-82.

72. Srivastava D., Menon M., Cho K. Nanoplasticity of Single-Wall Carbon Nanotubes under Uniaxial Compression Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. №15. P. 2973-2976.

73. Elastic strain of freely suspended single-wall carbon nanotube ropes Walters D. A., Ericson L, M., Casavant M. J., Liu J., Colbert D. Т., Smith K. A., Smalley R. E. App. Phys. Lett. 1999. Vol. 74. №25. P. 3803-3805.

74. Galanov B.A., Galanov S.B., Gogotsi Y. Stress-strain state of multiwall carbon nanotube under internal pressure Journal of Nanoparticle Research. 2002. Vol. 4. P. 207-214.

75. Lourie O., Cox D. M., Wagner H. D. Buckling and Collapse of Embedded Carbon Nanotubes Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. №8. P. 1638-1641. 97.Yu M.-F., Dyer M. J., Chen J. Locked twist in multiwalled carbon-nanotube ribbons Phys. Rev. B. Vol 64. P. 241403

76. Strain-Induced Electronic Property Heterogeneity of a Carbon Nanotube Vol. 64. P. 035419/

77. Tekleab D., Carroll D.L., Samsonidze G.G., Yakobson B. I. Phys. Rev. 2001.