常规及非常规碳纳米管径向稳定性与构型转换

摘要

碳纳米管作为一种新型的纳米材料，具有很好的力学、电学、化学等性能，在许多领域有着广泛的应用前景，自发现以来受到人们越来越广泛的关注。尤其是碳纳米管具有中空的结构和光滑的表面，其可作为药物、流体及低维纳米材料等的一种理想的传输通道和储存装置。然而碳纳米管的传输效力和存储能力与其结构稳定性密切相关，因此开展具有不同手性和尺寸的碳纳米管的稳定性相关实验、理论及数值模拟研究具有重要的科学意义和实用价值。本文从分子力学模拟角度出发，研究了常规和非常规碳纳米管的结构径向稳定性及构型转换，分析了手性、半径及壁数对径向稳定性的影响，获得了构型转换活化能与碳纳米管半径之间的关系，主要工作包括:
　　常规单壁、双壁及三壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换研究。基于分子力学模拟获得了常规碳纳米管径向未坍塌及坍塌稳定构型，基于NEB方法分析了单壁、双壁及三壁碳纳米管从未坍塌到坍塌构型转换的最低能量路径及活化能，进一步分析了结构径向坍塌与碳管的手性和半径之间的关系。研究结果表明:1）碳纳米管向坍塌构型转换所需的活化能随碳管半径的增大而减小，半径较大的碳纳米管更易坍塌;2）锯齿型碳纳米管向坍塌构型转换所需的活化能略低于扶手椅型碳纳米管向坍塌构型转换所需的活化能;3）内管半径相近且与单壁碳纳米管半径相当时，碳纳米管坍塌活化能随着壁数的增加而增加。
　　非常规双壁及三壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换研究。基于已有文献结果，构造了非常规双壁及三壁碳纳米管未坍塌构型，通过分子力学模拟获得了非常规碳纳米管的径向坍塌稳定构型，并结合NEB方法获得了构型转换的最低能量路径与活化能，分析了非常规碳纳米管径向坍塌与管手性及半径之间的关系。研究结果表明:1）当内管半径较小时，内管不易发生坍塌且主要以缺陷的形式存在，其将导致非常规碳纳米管向坍塌构型转换所需的活化能随内管半径的增加而减小;2）随着内管半径的增大，内管主要起支撑的作用，因此非常规碳纳米管向坍塌构型转换所需的活化能随内管半径的增大而增加。
　　本文研究工作为进一步理解碳纳米管的径向稳定性提供了理论依据，也为碳纳米管在传输通道和储存装置中的应用及其结构稳定性提供了理论指导。

目录

封面

声明

摘要

1 绪论

1．1 纳米材料简介

1．2 纳米碳材料

1．3 碳纳米管的发现及稳定性研究

1．3．1 碳纳米管的发现和分类

1．3．2 碳纳米管的研究现状

1．4 本文的研究内容

2 分子力学模拟方法与LAMMPS程序简介

2．1 分子力学方法简介

2．1．1 分子力学中的势函数

2．1．2 边界条件

2．1．3 NEB算法简介

2．1．4 分子力学中的能量最小化方法

2．2 开源代码LAMMPS简介

2．3 本章小结

3 碳纳米管模型生成及验证

3．1 碳纳米管模型生成

3．1．1 碳纳米管结构

3．1．2 碳纳米管单胞

3．1．3 模型生成方法

3．2 碳纳米管模型验证

3．2．1 弹性模量

3．2．2 弯曲刚度

3．3 本章小结

4 常规碳纳米管的径向稳定性及构型转换分析

4．1 单壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换

4．1．1 扶手椅型单壁碳纳米管

4．1．2 锯齿型单壁碳纳米管

4．2 双壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换

4．2．1 扶手椅型双壁碳纳米管

4．2．2 锯齿型双壁碳纳米管

4．3 三壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换

4．4 本章小结

5 非常规碳纳米管的径向稳定性及构型转换分析

5．1 非常规双壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换

5．1．1 内管刚性非常规双壁碳纳米管

5．1．2 内管柔性非常规双壁碳纳米管

5．2 内壁柔性非常规三壁碳纳米管的径向稳定性及构型转换

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢