氧化、氢化及氟化碳纳米管可控制备的数值研究

As the most important derivatives of carbon nanotues, oxidized, hydrogenated and fluorinated carbon nanotubes play important roles in the functionalization of carbon nanotubes. However, how to synthesize these derivatives with the control over the compounds density, distribution, and location is still an open question and further investigations are needed. In this project, we plan to investigate the fabrication of the three above-mentioned carbon nanotube derivatives by self-assembly of graphene derivatives on carbon nanotubes using reactive molecular dynamics simulations, and analyze the effects of the derivative types, densities, distributions and locations to the self-assembly process. The aim of this project is to unveil the role of derivatives in the fabrication of carbon nanotube derivatives, and to provide a theoretical guidance for the design of noval carbon nanotube derivatives.

作为最重要的几种碳纳米管衍生物，氧化碳纳米管、氢化碳纳米管及氟化碳纳米管在碳纳米管功能化应用中具有重要作用。然而，如何实现这三种衍生物的可控制备，包括对修饰物密度、分布及位置的控制，仍需深入研究。本项目拟运用全原子化学反应分子动力学模拟方法对碳纳米管辅助氧化石墨烯、氢化石墨烯及氟化石墨烯自组装制备碳纳米管衍生物的物理化学过程开展深入研究，力图揭示修饰物类型、密度、排布方式及位置对碳纳米管衍生物制备的影响，为新型碳纳米管衍生物的制备提供理论依据。

作为最重要的几种碳纳米管衍生物，氧化碳纳米管、氢化碳纳米管及氟化碳纳米管在碳纳米管功能化应用中具有重要作用。然而，如何实现这三种衍生物的可控制备，包括对修饰物密度、分布及位置的控制，仍需深入研究。本项目运用全原子化学反应分子动力学模拟方法针对石墨烯衍生物的自组装行为开展了一系列研究，分析了修饰物类型、密度等因素的影响，结果表明：石墨烯衍生物会自组装形成各种复杂结构，包括纳米卷结构、石墨烯螺旋条带结构等。进而，研究了石墨炔在碳纳米管上的自组装行为，并发现：在低温下，石墨炔可以形成稳定的螺旋结构；在高温下，石墨炔无法在碳纳米管上形成完美碳纳米管；通过升温的方法，低温下形成的石墨炔螺旋结构可以转变为完美石墨炔纳米管，并且具有手性可控性。进而，研究了石墨炔纳米管的拉伸力学性能，研究发现：石墨炔纳米管在低温下表现为脆性行为，在高温下表现为塑性行为；石墨炔纳米管的脆韧转变行为与其手性、温度、应变率均有关。最后，研究了石墨炔拉伸力学性能的手性依赖性，研究表明：石墨炔杨氏模量受手性影响较小；其杨氏模量、破坏应力、破坏应变随温度升高而降低，当温度从1K升高到1200K其降幅达60%。本项目研究成果能够为石墨烯衍生物、石墨炔纳米管可控制备及应用提供理论指导，并发展了微纳米力学。