纳米粒子诱导石墨烯卷曲的动力学特性及调控

Graphene, a mono-atomic layer of carbon atoms, is currently the most ideal two-dimensional nanomaterials. Due to the unique physical and chemical properties, graphene and composite materials have become the excellent functional candidate materials of many fields. However, the two-dimensional planar structure of graphene is in the metastable state that its morphology can easily transit under the influence of the external environment. This project devotes to the theoretical study about the dynamics characteristics and control of nanoparticles induced graphene scrolling. Study the configuration evolution and interaction mechanism of the self-assemble of graphene with different nanoparticles to obtain the profound understanding of the instability of graphene two-dimensional structure. Improve the melt nucleation theory to explore the self-scrolling characteristic, and establish a complete theoretical system for nanoparticles induced graphene scrolling. By controlling the shape and size of graphene and nanoparticle, the graphene will be folded into various configurations, which are the new carbon nanostructures with distinct properties. On this basis, finding a method to optimize and control the self-assemble of graphene and nanoparticles. Realize the preparation of composite materials with special structure and function and explore new application realms of graphene.

石墨烯只有一个碳原子厚，是目前最理想的二维纳米材料。独特的物理化学性能，使石墨烯及其复合材料成为许多领域极佳的候选功能材料。然而石墨烯的二维平面状结构处于亚稳态，其形态易受外界环境的影响而发生转变。本课题致力于纳米粒子诱导石墨烯卷曲的动力学特性及调控的理论研究，明确不同纳米粒子和石墨烯自组装的结构演变机制及作用机理，归纳分析得到规律性认识，获得对石墨烯二维结构不稳定性的深刻理解；并将熔体的形核理论进行改进，用于探索石墨烯的自卷曲特性，为纳米粒子诱导的石墨烯卷曲建立完整地理论体系；通过控制石墨烯及纳米粒子的形状和尺寸，将石墨烯折叠成各种形状，获得结构性质迥异的新的碳纳米结构；在此基础上，找到对石墨烯/纳米粒子自组装过程进行优化和调控的方法，制备具有特定结构和功能的新型复合材料并研究其性质，探索石墨烯新的应用领域。

石墨烯只有一个碳原子厚，是目前最理想的二维纳米材料。然而石墨烯的二维平面状结构处于亚稳态，其形态易受外界环境的影响而发生转变。本项目针对石墨烯二维结构的不稳定性，利用第一性原理和分子动力学模拟，研究了碳纳米管、富勒烯链及金属纳米线等纳米粒子诱导石墨烯卷曲的的自组装行为，通过改变石墨烯及纳米粒子的形状和尺寸，将石墨烯折叠成各种形状，获得结构迥异的新型碳纳米结构，并找到对石墨烯/纳米粒子自组装过程进行优化和调控的方法，扩展石墨烯应用领域。该理论发现对于利用石墨烯与纳米粒子之间的范德华力实现自组装制备纳米复合材料具有非常重要的意义。在研究过程中，考虑与一维石墨烯纳米带在结构上的相似性，研究了一维聚合物在碳纳米管空腔内的折叠行为.结果表明具有一维平面结构的聚合物也能像石墨烯带一样在碳纳米管内形成单或双螺旋结构。螺旋形成能力最强的聚乙炔可在碳纳米管表面和内部空腔内形成多螺旋结构。六到八根聚乙炔链只要一端被诱发开始螺旋，螺旋行为就会无限传递到聚合物另一端，形成的多螺旋可在室温下孤立稳定存在。研究聚合物的自组装螺旋机制有利于从分子角度理解生物系统的螺旋并设计制备新材料，为后续的研究工作提供了新问题。. 本项目执行期间，项目主持人被破格晋升为教授，参加本项目的3个主要成员晋升至高一级职称岗位。目前，本项目组成员主持山东省自然科学基金面上项目1项，联合专项1项。依托本课题，在国际知名学术期刊发表SCI论文9篇，正在投稿SCI论文2篇，相关成果获得市自然科学优秀学术成果奖3项。本项目组成员多次参加全国学术会议，并交流相关的研究成果。