聚芴共聚物挑选提纯特定手性单壁碳纳米管的分子动力学模拟研究——聚合物结构与提纯功能对应关系的理论推导

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have remarkable and unique electronic, mechanical, and thermal properties, which are closely related to their chiralities, for their applications in photochemistry, optoelectronic devices and field effect transistor field, a much high purity of single chirality SWCNTs is required, thus, the chiral selective extraction of SWCNTs is one of the central issues in nanotube science. Amongst many extraction methods, polyfluorene copolymers can adsorb to the SWCNTs surface due to non-covalent interaction, which would not affect the unique properties of SWCNTs. While, the research on extraction mechanisms lacks of systematic theoretic achievements. In this work, all atoms molecular dynamics simulation is applied for evaluating the structure properties of polyfluorene copolymers which could well-extract SWCNTs with a certain chirality preferentially. Our comparative theoretical investigations will give a formula to quantitatively describe the structure correspondence between polyfluorene and the selected SWCNT, which would display the effect to extraction function of each structure parameter of polyfluorene. Moreover, it will offer theoretical guidance for experimental design of polyfluorene copolymers which could well-extract SWCNTs with a certain chirality.

单壁碳纳米管优异的电学、机械和热学性能与其独特的手性结构密切相关，同时光化学，光电材料以及场效应晶体管等领域需要纯度极高的特定手性的单壁碳纳米管，因此碳纳米管的手性提纯是纳米管科学领域的核心问题之一。现行提纯方法中，聚芴共聚物通过非共价相互作用吸附在碳纳米管表面是一种高扩展性的方法：调整共聚物结构，可促使其提纯不同手性的碳纳米管，然而针对其提纯机理的研究较为贫乏，缺少系统性。本项目通过大量全原子分子动力学模拟，考察能够提纯特定手性碳纳米管的聚芴共聚物的结构特点，探索最优聚合物与碳纳米管的质量比，使其具有最佳的选择专一性，同时总结聚芴共聚物结构与其提纯功能之间关系的规律性。研究成果将以理论公式的形式描述聚芴共聚物结构和其能够提纯的特定碳纳米管手性结构之间的对应关系，不仅定量描述聚芴共聚物的各个结构变量对其提纯功能的影响，更为实验研究中设计挑选任意手性碳纳米管的聚芴提供了精确的理论指导。

碳材料是“十三五”期间的重点发展产业，其中石墨烯和碳纳米管凭借优异的电学、机械和热学性能，成为战略性新兴产业。这两种碳材料在使用过程中面临的核心问题即分散和提纯问题。本项目通过大量全原子分子动力学模拟，旨在探索聚合物分散提纯碳纳米管和有机溶剂分散石墨烯的机制和影响因素。一方面，我们研究了聚合物结构与其提纯碳纳米管之间关系的规律性，我们发现，溶剂是最主要影响因素，所有溶剂都会一定程度阻碍聚合物和碳纳米管的相互作用；聚合物结构这一因素对于提纯的影响必须在溶剂确定的条件下进行有效讨论。当溶剂确定后，对于芴类共聚物，长链烷烃侧基对于聚合物的紧密吸附非常重要，但要提纯特定手性碳纳米管，必须考虑它在共聚物中的分布；对于噻吩与芳香结构的共聚物，聚合物中芳香基团的比例以及聚合物的连接方式均影响能够提纯的单臂碳纳米管的手性。另一方面，我们探索了压缩二氧化碳与有机溶剂分散石墨烯过程中各组分的作用和分散机理。结果表明，二氧化碳是插入石墨烯片层的楔子，其进入片层后，增大了片层间距，从而促进有机溶剂的自发插层，而有机溶剂是石墨烯的主要分散剂，其插入片层中，形成稳定的“超级汉堡包”构型，是石墨烯分散并获得较高单层率的必要条件。不同的有机溶剂对石墨烯分散有不同的分散机制，同时，我们从分子层面解释了石墨的初始面积越大，得到的石墨烯单层率越小的原因。这两个方面的研究，对于实验上研究聚合物分散碳纳米管和有机溶剂分散石墨烯提供了强有力的理论支持与指导，同时，我们后续还会进一步深入探索碳材料分散和提纯过程中的各种影响因素的作用，从而完成更为系统和完整的研究。