富勒烯和碳纳米管稳定性与形成机理的图形理论定性研究

摘要

应用图形理论对不同种类碳簇体系的Kekulé结构数进行了计算,并在半经验方法(AMI)和密度泛函理论(DFT)水平上,讨论了不同种类碳簇的结构与稳定性。基于Kekulē结构计数,C-Cσ键数,富勒烯的表面曲率和能量,对石墨碎片的卷曲行为以及富勒烯的形成机理进行了讨论。研究结果表明石墨碎片的卷曲,一端闭合,到完全封闭,可以减少结构中的悬键;随着新的C-Cσ键生成,Kekulé结构数将急剧地增加,特别是大的富勒烯和碳纳米管,这种增加更为显著。大量Kekulé结构间的共振使体系获得显著的共振稳定化能,稳定具有张力的富勒烯和碳纳米管,并驱动平面碳簇结构向闭合结构的转化。对于Kekulé结构数相近的碳笼,表面曲率对曲面结构的稳定性有重要的影响。把Kekulé结构计数和表面曲率结合起来,可以合理地理解球形笼状富勒烯、闭合纳米管和类“洋葱”型结构等高碳簇在热力学上的稳定性。