[論文レビュー] Graphene-carbon nanotube composites

E. F. Sheka, Л. А. Чернозатонский|ArXiv.org|Jan 23, 2009

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、グラフェン-カーボンナノチューブ複合体における電子相互作用をモデル化するため、制限のない破れ対称性ハートリー・フォック法を用いた計算フレームワークを提案し、部分的ラジカル化に起因する化学的活性の向上を明らかにした。基板への固定または溶液中条件に応じて、2つの主要な複合構造形態—ハンマータイプおよびカッティングブレードタイプ—を特定し、1枚のグラフェンシートをナノチューブが安定化する「クレードル」構造を提案した。

ABSTRACT

The formation of graphen-nanotube composites addresses a few basic problems. First, both partners are good donors and acceptors of electrons, which significantly complicates the intermolecular interaction between them leading to a two-well shape of the ground state energy term. The second problem concerns odd-electron character of the components. Similarly to high aromatics and fullerenes, much larger C-C distances provide a considerable weakening of odd electrons interaction in nanotubes and graphene that necessitates taking the configurational interaction of odd electrons into account. Avoiding a severe complication, the broken spin-symmetry approach makes the problem feasible. Moreover, unrestricted broken-symmetry Hartree-Fock approach possesses a unique sensitivity in revealing enhanced chemical activity of the species caused by their partial radicalization in terms of atomic chemical susceptibility. The chemical susceptibility profiles along the tube and across their body as well as over graphene sheets form the ground of computational synthesis of graphen-nanotube composites in due course of the relevant addition reactions and make it possible to select two main groups of the composites, conditionally called hammer and cutting-blade structures. The final product will depend on whether both components of the composition are freely accessible or one of them is fixed. Thus, in diluted solutions where the first requirement is met, one can expect the formation of the multi-addend cutting-blade composites. Oppositely, when either nanotubes or graphene sheets are fixed on some substrates, the hammer composites will be formed. A particular "cradle" composite is suggested for an individual graphene sheet to be fixed by a pair of nanotubes.

研究の動機と目的

• グラフェンとカーボンナノチューブ間の複雑な分子間相互作用を解明すること。これは、相互の電子供与・受容および奇数電子特徴によって複雑化されている。
• 開殻系およびスピン偏極を正確に扱うことで、これらの複合体の電子構造をモデル化すること。
• 化学的感受性プロファイルと構造的相互作用に基づいて、安定な複合構造の配置を予測すること。
• 反応性の容易さと基板制約に応じて、ハンマータイプおよびカッティングブレードタイプの2つの構造的タイプに複合体を分類すること。
• 1枚のグラフェンシートが2つのナノチューブによって安定化される特定の「クレードル」複合体を提案すること。

提案手法

• グラフェン-ナノチューブ系における電子相関およびスピン偏極をモデル化するため、制限のない破れ対称性ハートリー・フォック法を適用すること。
• ナノチューブに沿って、その表面全体およびグラフェンシート上で原子的化学的感受性プロファイルを計算し、反応性の高温帯をマップすること。
• 競合する電子供与体-受容体相互作用に起因する基底状態エネルギーを記述するための2井戦いポテンシャルエネルギーモデルの使用。
• 大きなC-C距離を有する炭素ネットワークにおける奇数電子の構造的相互作用を考慮し、弱まったスピン結合を説明すること。
• 自由な移動性を有する溶液中と基板への固定状態の両方で、付加反応を模擬すること。
• 反応性パターンに基づく構造的分類により、固定された成分を有するハンマータイプおよび自由にアクセス可能な成分を有するカッティングブレードタイプの複合体を分類すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子供与体-受容体相互作用および奇数電子特徴は、グラフェン-カーボンナノチューブ複合体の安定性および反応性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 スピン対称性の破れは、これらのハイブリッド系の電子構造を正確にモデル化するために果たす役割は何か？
• RQ3 化学的感受性プロファイルは、グラフェンおよびナノチューブ上でどのように変化し、それらが好ましい反応部位をどのように示唆するか？
• RQ4 合成過程において、どのような条件下でハンマータイプとカッティングブレードタイプの複合体が形成されるか？
• RQ5 1枚のグラフェンシートが2つのナノチューブによって結合される安定な「クレードル」構造を計算的に予測できるか？

主な発見

• 制限のない破れ対称性ハートリー・フォック法は、グラフェンおよびナノチューブにおける部分的ラジカル化に起因する化学的活性の向上を的確に捉えている。
• 化学的感受性プロファイルは、ナノチューブに沿っておよびグラフェンシート全体にわたり明確な反応性パターンを示し、複合構造の設計を支援する。
• 希釈溶液中では、両方の成分が自由にアクセス可能なため、複数付加体を有するカッティングブレード型複合体が予測される。
• グラフェンまたはナノチューブが基板に固定されている場合には、反応部位が1つの成分に制限されるため、ハンマータイプの複合体が好ましく形成される。
• 1枚のグラフェンシートが2つのナノチューブによってアンカー化され、構造的に明確なハイブリッド構造を形成する安定な「クレードル」複合体が提案された。
• 基底状態エネルギー項の2井戦い形状は、成分間の競合的電子供与および受容に起因する。