双壁碳纳米管夹层中稳定碘链、溴链螺旋性的研究
发布时间：2021-08-05 00:22
利用经典范德瓦尔斯力场系统地研究了填充在双壁碳纳米管夹层中稳定碘链和溴链的螺旋性.分析了系统的相互作用（包括管壁-链相互作用和链-链相互作用）对其螺旋链的影响机理.结果表明:单螺旋链的螺旋性由于缺失链-链相互作用而不确定;双、三、四、五、六螺旋链的最佳螺旋角随螺旋半径和链指数的增加而减小;链-链之间的排斥和吸引相互作用分别诱导较小和诱导较大螺旋性的螺旋链,当螺旋半径相同时,溴链比碘链拥有更小的螺旋性.因此,稳定螺旋链的螺旋性主要取决于链-链之间的相互作用.
【文章来源】：东北师大学报(自然科学版). 2020,52(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
最佳螺旋角Opt（φ）随螺旋半径r变化的函数曲线
双壁碳纳米管的结构参数以及获得的最佳螺旋碘链、溴链的螺旋角见表2—3．表2和3中的第6列到第10列分别列举了填充的螺旋碘链和螺旋溴链的最佳螺旋角（Opt（φ））．填充的螺旋链的单原子相互作用能V(r，φ）atom随螺旋角φ变化的函数线见图2，以最小的双壁碳纳米管（3,3)＿(8,18）为例，给出系统的单原子相互作用能V(r，φ）atom随φ变化的曲线．同时，图3给出了最佳螺旋碘链和溴链的结构示意图．对于填充的单螺旋碘链（图2(a)),V(r，φ）atom不随φ的增加而改变．当m≥2时，随φ的增加，开始时V(r，φ）atom基本不变．当φ增加到一定值时，V(r，φ）atom开始减小，当达到箭头所示的最小值时迅速增大．因此，最小的V(r，φ）atom所对应的φ即是填充的螺旋链的最佳螺旋角．由此可以看出，双螺旋、三螺旋、四螺旋、五螺旋、六螺旋碘链的最佳螺旋角分别为29°，28°，26°，24°，21°（如图3(a）所示）．对于填充的单螺旋溴链（图2(b）），单原子相互作用势V(r，φ）atom也不随φ的增加而改变．当m≥2时，随φ的增加，V(r，φ）atom随φ的变化趋势和碘链类似，也是减小到最小值后迅速增加．如图3(b）所示，其双螺旋、三螺旋、四螺旋、五螺旋、六螺旋链结构的最佳螺旋角分别为23°，22°，21°，20°，17°．由公式（2）可知，单螺旋链的系统只考虑了链-管壁之间的相互作用．而当m≥2时，系统的相互作用不仅包括链-管壁相互作用，而且包括链-链相互作用．因此，填充的螺旋链的螺旋性主要决于链-链之间的相互作用．图3 填充的（3,3)＿(8,18）双壁碳纳米管夹层中最佳碘螺旋链和溴螺旋链的结构
图2 填充的螺旋链的单原子相互作用能V(r，φ）atom随螺旋角φ变化的函数曲线图4是螺旋链（m=2～6）的最佳螺旋角（Opt（φ））随r变化的曲线．从图4可以看出，不同的螺旋链具有不同的Opt（φ），但又随着r的增加呈现相同的变化规律．r不变时，Opt（φ）随链指数m的增加而减小；链指数m不变时，Opt（φ）随r的增加而减小．为了更好地理解Opt（φ）随m和r变化的规律，分别讨论链之间的排斥和吸引相互作用对Opt（φ）的影响．根据（4）式可知，“原子对”之间的相互作用由短程排斥相互作用能（正值项）和长程吸引相互作用能（负值项）构成．以六螺旋链结构为例，给出了分别考虑系统的总相互作用能、链之间的排斥相互作用能和吸引相互作用能时的最佳螺旋角Opt（φ）随r变化的曲线（见图5）．从图5可以看出，只考虑链之间的排斥相互作用能时，Opt（φ）Re始终等于1°，不随r变化而改变；只考虑链-链之间吸引相互作用时，Opt（φ）Att随r增加而减小，说明Opt（φ）Att随链-链之间的吸引相互作用的减小而减小，这表明链-链之间的吸引相互作用会倾向于产生一个更大的Opt（φ）．当加入排斥相互作用时，Opt（φ）小于Opt（φ）Att，说明排斥相互作用会倾向于产生更小的螺旋角．可以看出链-链之间的吸引相互作用对螺旋链的最佳螺旋角起决定性作用．随着r增加，Opt（φ）Att逐渐接近Opt（φ），表明链-链排斥相互作用对Opt（φ）的影响越来越小．因此，图4获得的Opt（φ）随m和r的变化规律可以得到很好的解释．当r不变时，随m的增加，链-链之间的排斥和吸引相互作用都将增加，相比之下，短程排斥相互作用增加更迅速，所以Opt（φ）随之减小．反之，考虑链指数不变时，链-链相互作用随r的增加而减小，相比之下，短程排斥相互作用减小的也更为迅速，此时，长程吸引相互作用将起到主导性的作用．因此，最终的Opt（φ）随r的增加（吸引相互作用的减小）表现为线性减小的趋势．相比于碘链，溴链具有更小的Opt（φ），这是由于其较小的势参数导致的．
本文编号：3322686
【文章来源】：东北师大学报(自然科学版). 2020,52(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
最佳螺旋角Opt（φ）随螺旋半径r变化的函数曲线
双壁碳纳米管的结构参数以及获得的最佳螺旋碘链、溴链的螺旋角见表2—3．表2和3中的第6列到第10列分别列举了填充的螺旋碘链和螺旋溴链的最佳螺旋角（Opt（φ））．填充的螺旋链的单原子相互作用能V(r，φ）atom随螺旋角φ变化的函数线见图2，以最小的双壁碳纳米管（3,3)＿(8,18）为例，给出系统的单原子相互作用能V(r，φ）atom随φ变化的曲线．同时，图3给出了最佳螺旋碘链和溴链的结构示意图．对于填充的单螺旋碘链（图2(a)),V(r，φ）atom不随φ的增加而改变．当m≥2时，随φ的增加，开始时V(r，φ）atom基本不变．当φ增加到一定值时，V(r，φ）atom开始减小，当达到箭头所示的最小值时迅速增大．因此，最小的V(r，φ）atom所对应的φ即是填充的螺旋链的最佳螺旋角．由此可以看出，双螺旋、三螺旋、四螺旋、五螺旋、六螺旋碘链的最佳螺旋角分别为29°，28°，26°，24°，21°（如图3(a）所示）．对于填充的单螺旋溴链（图2(b）），单原子相互作用势V(r，φ）atom也不随φ的增加而改变．当m≥2时，随φ的增加，V(r，φ）atom随φ的变化趋势和碘链类似，也是减小到最小值后迅速增加．如图3(b）所示，其双螺旋、三螺旋、四螺旋、五螺旋、六螺旋链结构的最佳螺旋角分别为23°，22°，21°，20°，17°．由公式（2）可知，单螺旋链的系统只考虑了链-管壁之间的相互作用．而当m≥2时，系统的相互作用不仅包括链-管壁相互作用，而且包括链-链相互作用．因此，填充的螺旋链的螺旋性主要决于链-链之间的相互作用．图3 填充的（3,3)＿(8,18）双壁碳纳米管夹层中最佳碘螺旋链和溴螺旋链的结构
图2 填充的螺旋链的单原子相互作用能V(r，φ）atom随螺旋角φ变化的函数曲线图4是螺旋链（m=2～6）的最佳螺旋角（Opt（φ））随r变化的曲线．从图4可以看出，不同的螺旋链具有不同的Opt（φ），但又随着r的增加呈现相同的变化规律．r不变时，Opt（φ）随链指数m的增加而减小；链指数m不变时，Opt（φ）随r的增加而减小．为了更好地理解Opt（φ）随m和r变化的规律，分别讨论链之间的排斥和吸引相互作用对Opt（φ）的影响．根据（4）式可知，“原子对”之间的相互作用由短程排斥相互作用能（正值项）和长程吸引相互作用能（负值项）构成．以六螺旋链结构为例，给出了分别考虑系统的总相互作用能、链之间的排斥相互作用能和吸引相互作用能时的最佳螺旋角Opt（φ）随r变化的曲线（见图5）．从图5可以看出，只考虑链之间的排斥相互作用能时，Opt（φ）Re始终等于1°，不随r变化而改变；只考虑链-链之间吸引相互作用时，Opt（φ）Att随r增加而减小，说明Opt（φ）Att随链-链之间的吸引相互作用的减小而减小，这表明链-链之间的吸引相互作用会倾向于产生一个更大的Opt（φ）．当加入排斥相互作用时，Opt（φ）小于Opt（φ）Att，说明排斥相互作用会倾向于产生更小的螺旋角．可以看出链-链之间的吸引相互作用对螺旋链的最佳螺旋角起决定性作用．随着r增加，Opt（φ）Att逐渐接近Opt（φ），表明链-链排斥相互作用对Opt（φ）的影响越来越小．因此，图4获得的Opt（φ）随m和r的变化规律可以得到很好的解释．当r不变时，随m的增加，链-链之间的排斥和吸引相互作用都将增加，相比之下，短程排斥相互作用增加更迅速，所以Opt（φ）随之减小．反之，考虑链指数不变时，链-链相互作用随r的增加而减小，相比之下，短程排斥相互作用减小的也更为迅速，此时，长程吸引相互作用将起到主导性的作用．因此，最终的Opt（φ）随r的增加（吸引相互作用的减小）表现为线性减小的趋势．相比于碘链，溴链具有更小的Opt（φ），这是由于其较小的势参数导致的．
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