碳納米管功能化分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、近年來碳納米管的功能化成為納米領(lǐng)域一大研究熱點(diǎn)。通過對(duì)碳納米管進(jìn)行功能化,使其在某些溶液環(huán)境或者納米復(fù)合材料中的分散度得到明顯改善,并且為碳納米管的分離或提純提供了更為有利的條件。
　　碳納米管的功能化研究已逐步發(fā)展成為制備具有某些特定功能的碳納米管及其復(fù)合材料的手段。功能化后的碳納米管不僅保持了原有的特異性質(zhì),而且還表現(xiàn)出修飾基團(tuán)參加反應(yīng)的活性,為碳納米管的分散、組裝及表面反應(yīng)提供了可能,從而引起了科學(xué)家的極大興趣,也使得碳納米

2、管在納米材料的舞臺(tái)上更加活躍。
　　本文運(yùn)用分子模擬的方法來研究手性分子非共價(jià)修飾單壁碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)、界面作用以及熱學(xué)性能,主要研究?jī)?nèi)容包括以下三個(gè)部分:
　　1.以聯(lián)萘及其衍生物為核,以亞苯基為重復(fù)單元,1-3代的手性樹狀分子以及碳納米管模型的建立與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究了單壁碳納米管與手性樹狀分子G0-G2之間的相互作用,通過能量分析,溫度的影響和RDF分析得出以下結(jié)論:它們之間存在著強(qiáng)的非鍵作用能,這與G0-G2都具有數(shù)量

3、不等的芳香環(huán),發(fā)生包裹行為時(shí)可能與碳納米管側(cè)壁的π電子體系發(fā)生π–π作用有關(guān),這種相互作用使得碳納米管與樹狀分子之間的結(jié)合能增強(qiáng)。并且研究了溫度的影響,溫度對(duì)單壁碳納米管和G0之間的相互作用影響較小,而單壁碳管和G1、G2之間的相互作用隨著溫度的升高有著明顯的減小。分析了三個(gè)復(fù)合體系的徑向分布函數(shù),說明單壁碳納米管和手性樹狀分子能通過非鍵相互作用而有效的結(jié)合。理論上用手性分子非共價(jià)功能化單壁碳納米管,為制成高靈敏性的手性熒光傳感器提供了

4、理論依據(jù)。
　　2.用分子動(dòng)力學(xué)模擬L-色氨酸(Try)非共價(jià)修飾到單壁碳納米管(SWNT),研究其相互作用,理論上實(shí)現(xiàn)L-色氨酸(Try)非共價(jià)功能化單壁碳納米管。利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算了200ps內(nèi)兩組份之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系在整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)的過程是一個(gè)能量逐漸降低并且逐漸達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程,也說明復(fù)合體系中單壁碳納米管和L-色氨酸之間能通過相互作用而復(fù)合。單壁碳納米管和L-色氨酸的結(jié)合能除了有π–π相互作用以外,還存在范德

5、華力和靜電作用能,在498K時(shí)結(jié)合能最低,復(fù)合體系相對(duì)穩(wěn)定。
　　3.將L-酪氨酸(Tyr)非共價(jià)修飾到單壁碳納米管(SWNT)上,利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算了200ps內(nèi)兩組份之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系在整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)的過程是一個(gè)能量逐漸降低并且逐漸達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程,也說明復(fù)合體系中單壁碳納米管和L-酪氨酸之間能通過相互作用而復(fù)合。分析了從298K到598K之間復(fù)合體系的能量變化,發(fā)現(xiàn)不同溫度下結(jié)合能均為負(fù)值,表明兩者之間存在著強(qiáng)的

6、相互作用能,說明單壁碳納米管和L-酪氨酸的結(jié)合能除了有π–π相互作用以外,也存在較強(qiáng)的范德華能來相互作用,也存在一定的靜電能。在373k時(shí)復(fù)合體系有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。最后通過對(duì)L-色氨酸和L-酪氨酸功能化單壁碳納米管模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)L-色氨酸與單壁碳納米管復(fù)合體系有更低的結(jié)合能,更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),并且非鍵作用主要為范德華力,其次為靜電力。預(yù)期利用氨基酸的手性特點(diǎn)再與碳納米管的獨(dú)特特性結(jié)合,應(yīng)用到手性物質(zhì)的分離、識(shí)別、測(cè)定等方面。這對(duì)于拓