碳納米環(huán)塌縮過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變及螺旋自組裝.pdf

1、納米螺旋自組裝結(jié)構(gòu)，因具備完美的幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的自適應(yīng)性，特殊的納米尺度效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，逐漸引起科研工作者的關(guān)注。目前，微型納米螺旋自組裝器件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用依賴(lài)于納米螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究。大直徑碳納米環(huán)由于自身熱力學(xué)不穩(wěn)定性，容易塌陷成雙層條帶結(jié)構(gòu)，從而為螺旋結(jié)構(gòu)的形成提供必備的條件。而關(guān)于碳納米環(huán)螺旋結(jié)構(gòu)的研究一直處于空白狀態(tài)，因此研究基于碳納米環(huán)的螺旋結(jié)構(gòu)將對(duì)新型螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有非常重要的理論指導(dǎo)意義。
　　本論文中，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)

2、方法對(duì)基于碳納米環(huán)的螺旋自組裝系統(tǒng)進(jìn)行原子尺度模擬。主要研究碳納米環(huán)在不同誘導(dǎo)核芯作用下的塌陷、纏繞過(guò)程，分析結(jié)構(gòu)演變過(guò)程中的能量變化，揭示碳納米環(huán)與不同核芯的自組裝機(jī)理。論文主要研究成果如下:
　　(1)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)碳納米環(huán)與碳納米管之間的結(jié)構(gòu)演變機(jī)理進(jìn)行模擬。研究表明，碳納米環(huán)放置在碳納米管一端開(kāi)口處時(shí)，能夠被納米管空腔捕獲，實(shí)現(xiàn)對(duì)空腔的嵌入填充，形成類(lèi)似DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。同時(shí)，碳納米環(huán)靠近碳納米管外壁時(shí)，能夠在范德

3、華吸引力作用下，發(fā)生塌陷，其圓形截面逐漸變形為橢圓形，△型，最終形成雙層條帶結(jié)構(gòu)，并以一定的螺距螺旋包覆在碳納米管外壁。通過(guò)研究尺寸因素對(duì)嵌入自組裝系統(tǒng)的影響表明，對(duì)軸向長(zhǎng)度確定的納米環(huán)而言，碳納米管直徑值需超過(guò)某一閾值才能保證納米環(huán)的順利螺旋填充。兩碳納米環(huán)分別放置在納米管兩端開(kāi)口處進(jìn)行模擬時(shí)，在空腔中亦呈現(xiàn)出完美的螺旋結(jié)構(gòu)。納米環(huán)開(kāi)口邊緣碳原子的σ-軌道懸鍵可攜帶修飾集團(tuán)螺旋填充進(jìn)入納米管空腔，因此納米環(huán)可作為受限空間的運(yùn)輸載體傳送

4、藥物、基因等。
　　(2)對(duì)碳納米環(huán)與Al納米線誘導(dǎo)核芯之間的作用機(jī)理進(jìn)行研究。碳納米環(huán)在Al納米線核芯誘導(dǎo)下發(fā)生塌陷，形成雙層螺旋結(jié)構(gòu)包覆在Al納米線表面。Al納米線誘導(dǎo)核芯的截面形狀變化以及微小的粗糙度變化對(duì)螺旋纏繞幾乎沒(méi)有影響，但是螺旋自組裝構(gòu)型對(duì)碳納米環(huán)的直徑和軸向長(zhǎng)度變化非常敏感。碳納米環(huán)直徑需滿足一定的閾值，保證范德華作用力能夠克服納米環(huán)形變能;同時(shí)，納米環(huán)軸向長(zhǎng)度需低于某一閾值，保證軸線的自由偏移。飽和碳納米環(huán)自組裝

5、結(jié)果表明，螺旋殼核復(fù)合結(jié)構(gòu)具有最低的能量，最穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　(3)進(jìn)一步針對(duì)碳納米環(huán)與Ni納米線自組裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程進(jìn)行研究。在范德華作用力和錯(cuò)位面對(duì)面堆積作用兩者的共同作用下，Ni納米線核芯依舊能夠誘導(dǎo)碳納米環(huán)發(fā)生螺旋包覆。因此，碳納米環(huán)在金屬納米線誘導(dǎo)下發(fā)生螺旋纏繞是一種普遍現(xiàn)象，且尺寸因素等對(duì)螺旋過(guò)程的影響規(guī)律一致。
　　本論文的研究結(jié)果從原子尺度揭示了碳納米環(huán)自組裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，有助于幫助我們理解碳納米環(huán)