纳米团簇(管,笼)曲率结构调控表面反应性的理论研究

应用方向曲率理论及相应的理论计算方法，研究不同成分及壳层结构纳米管、笼及团簇的表面曲率与其区位反应性及结构稳定性的关系规律，着重解决该理论如何从研究非极性、单壁的碳纳米管及富勒烯拓展到研究极性、多亚层及不完整表面的非碳纳米团簇（管、笼）表面的化学反应性及其理论判据问题; 根据非碳纳米团簇与碳笼表面的特点，揭示曲率的方向性对其化学修饰反应性、产物结构及性能的不同影响，提出基于方向曲率理论预测和调控具有不同表面结构的碳与非碳纳米团簇（管、笼）特定性能的理论依据及可行方案；通过该项目的研究，发展一种从曲面应力与反应性关系这一新视角研究纳米团簇（管、笼）结构与性能关系的普适方法，这对于促进纳米科学的发展具有重要的学术意义和应用前景。

本课题研究了不同成分与结构的纳米团簇（管、笼）的表面曲率与其区位反应性的关系规律，提出了基于方向曲率理论预测和调控其特定性能的理论依据及可行方案。.在对富勒烯反应性的研究中，发现了一些影响方向曲率的新因素和规律。针对C70赤道位C-C键特殊反应性的研究表明，计算其方向曲率时，需考虑该键与椅型碳纳米管径向键类似的曲率结构及相应的曲率系数等因素，从而合理解决了该键曲率不大、结合能却很大等疑难问题；对C36与OH自由基的加成反应研究发现，基于方向曲率理论预测其反应性时，需要考虑纳米尺寸效应引起的自旋密度变化；对一系列富勒烯与金属及其化合物的加成反应性研究，首次提出了基于方向曲率得到的表面碳环中心曲率与反应性的关系，并预测了夹心金属富勒烯这一稳定结构。.对极性及掺杂纳米管的反应性及结构研究表明，方向曲率理论具有普适性。BN纳米管的氧取代反应性研究发现，其反应性与第一个氧原子取代后的表面曲率变化有关；单壁碳纳米管的掺杂研究发现，方向曲率可用于合理判据N2掺杂取代后，N-N键是否断裂等不同结构。.基于曲率与反应性关系原理，本课题还研究了具无限周期结构及生物大分子的反应性。重复单元为纳米团簇平板结构的TiO2,Co2O3及InN的反应性研究表明，表面突起或配位缺失位有较高反应性及特定性质敏感性；对超级细菌所含酶NDM-1等大分子研究同样表明，配位缺失的双键位、开放结构及局部曲率大的区位原子具高反应性。