碳纳米环塌缩过程的结构演变及螺旋自组装

发布时间：2018-06-12 02:31

本文选题：分子动力学模拟 + 碳纳米环　；参考：《山东大学》2015年硕士论文

【摘要】：纳米螺旋自组装结构,因具备完美的几何结构,优异的自适应性,特殊的纳米尺度效应等优势,逐渐引起科研工作者的关注。目前,微型纳米螺旋自组装器件的开发应用依赖于纳米螺旋结构的设计与研究。大直径碳纳米环由于自身热力学不稳定性,容易塌陷成双层条带结构,从而为螺旋结构的形成提供必备的条件。而关于碳纳米环螺旋结构的研究一直处于空白状态,因此研究基于碳纳米环的螺旋结构将对新型螺旋结构的设计具有非常重要的理论指导意义。本论文中,运用分子动力学方法对基于碳纳米环的螺旋自组装系统进行原子尺度模拟。主要研究碳纳米环在不同诱导核芯作用下的塌陷、缠绕过程,分析结构演变过程中的能量变化,揭示碳纳米环与不同核芯的自组装机理。论文主要研究成果如下：(1)通过分子动力学方法对碳纳米环与碳纳米管之间的结构演变机理进行模拟。研究表明,碳纳米环放置在碳纳米管一端开口处时,能够被纳米管空腔捕获,实现对空腔的嵌入填充,形成类似DNA的双螺旋结构。同时,碳纳米环靠近碳纳米管外壁时,能够在范德华吸引力作用下,发生塌陷,其圆形截面逐渐变形为椭圆形,△型,最终形成双层条带结构,并以一定的螺距螺旋包覆在碳纳米管外壁。通过研究尺寸因素对嵌入自组装系统的影响表明,对轴向长度确定的纳米环而言,碳纳米管直径值需超过某一阈值才能保证纳米环的顺利螺旋填充。两碳纳米环分别放置在纳米管两端开口处进行模拟时,在空腔中亦呈现出完美的螺旋结构。纳米环开口边缘碳原子的6-轨道悬键可携带修饰集团螺旋填充进入纳米管空腔,因此纳米环可作为受限空间的运输载体传送药物、基因等。(2)对碳纳米环与Al纳米线诱导核芯之间的作用机理进行研究。碳纳米环在A1纳米线核芯诱导下发生塌陷,形成双层螺旋结构包覆在Al纳米线表面。Al纳米线诱导核芯的截面形状变化以及微小的粗糙度变化对螺旋缠绕几乎没有影响,但是螺旋自组装构型对碳纳米环的直径和轴向长度变化非常敏感。碳纳米环直径需满足一定的阈值,保证范德华作用力能够克服纳米环形变能；同时,纳米环轴向长度需低于某一阈值,保证轴线的自由偏移。饱和碳纳米环自组装结果表明,螺旋壳核复合结构具有最低的能量,最稳定的状态。(3)进一步针对碳纳米环与Ni纳米线自组装系统的结构演变过程进行研究。在范德华作用力和错位面对面堆积作用两者的共同作用下,Ni纳米线核芯依旧能够诱导碳纳米环发生螺旋包覆。因此,碳纳米环在金属纳米线诱导下发生螺旋缠绕是一种普遍现象,且尺寸因素等对螺旋过程的影响规律一致。本论文的研究结果从原子尺度揭示了碳纳米环自组装系统的结构演变过程,有助于帮助我们理解碳纳米环与作为诱导核芯的碳纳米管、纳米线之间的相互作用机理,同时为螺旋自组装结构开发与设计提供理论支持。
[Abstract]:In this paper , the mechanism of self - assembly of nanospiral self - assembly has been studied by molecular dynamics method .
The results show that the structure evolution process of the self - assembly system of the carbon nanorings is a universal phenomenon and the dimensional factors are consistent . The results of this paper show that the carbon nano - ring can be used as the carbon nano - ring and the nano - nano - wire as the inducing core , and the mechanism of interaction between the carbon nano - ring and the carbon nano - nano - ring can be understood as the theoretical support for the development and design of the spiral self - assembly structure .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O613.71

【共引文献】