Файл: Исследование молекулярной структуры графеновых нанолент методом молекулярной механики.docx
Добавлен: 01.12.2023
Просмотров: 17
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образование Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра Технология нефти и газа
ОТЧЕТ
по лабораторной работе
на тему «Исследование молекулярной структуры графеновых нанолент методом молекулярной механики»
по дисциплине «Структура углеродных материалов»
Выполнил Субханкулов В.Р.
ст. гр. БТП-18-02
Принял Федина Р.А.
ст. преп. каф. ТНГ, к. тех. н.
Уфа
2022
Цель работы: построение и исследование фрагмента графеновой наноленты методом молекулярной механики ММ+
Теоретическая часть: Углерод – один из самых распространенных элементов на Земле. Он обладает большим разнообразием аллотропных модификаций: алмаз, графит, фуллерен, углеродные нанотрубки, графен и др. Графит – кристаллическая аллотропная модификация углерода, представляющая из себя слои, состоящие из шестиугольников, в узлах которых находятся атомы углерода, формирующие гексагональную двумерную (2D) решетку, расположенные друг на другом.
Один графитовый слой хорошо известен как моноатомный или однослойный графен, два и три графитовых слоя называют двухслойным и трехслойным графеном соответственно. Графен до 10 слоев обычно считают несколькослойным, а 20-30 слоев называют многослойным графеном или нанокристаллическим тонким графитом.
Структура графита и графена изображена на рисунке 1
а. б.
Рисунок 1 – Cтруктура графита (а.) и 3D модель структуры однослойного графена (б.).
Графен можно допировать атомами других элементов, таких как азот, фтор, водород, кислород и др., изменяя его свойства. Все это делает его интересным материалом для многих перспективных приложений.
Таблица 1 – Физические свойства графена
| Физическое свойство | Показатель для графена |
| Оптический коэффициент пропускания | 97,7 % |
| Теплопроводность | 5000 Вт/м⸱К |
| Удельная площадь поверхности | 2630 м2/г |
| Прочность на разрыв | 42 Н/м |
| Модуль Юнга | 1,1 ТПа |
| Подвижность носителей заряда | 200 000 см2/В⸱с |
Для расчета геометрии молекул необходимо знать потенциалы полей химических и вандерваальсовых сил. Метод молекулярной механики в среде HyperChem позволяет учитывать это. Метод ММ+ применим для большинства углеводородных и гетероатомных молекул, в которых отсутствуют внутримолекулярные взаимодействия типа водородных связей, и учитывает потенциальные поля, образуемые всеми атомами молекул.
Для расчета заряда на атомах и распределения кулоновского потенциала поля в окрестностях наночастицы используется полуэмпирический метол РМ3. Метод РМ3 является расширенным вариантом метода AMI, который в свою очередь является модификацией метода MNDO (modified neglect of diatomic overlap – модифицированное пренебрежение двуатомным перекрыванием) путем замены слейтеровских функций гауссовскими.
Практическая часть:
Вариант 14
| Число бензольных колец | Количество удаленных бензольных колец | Количеств концевых замещённых атомов углерода | Тип концевых заместителей атомов углерода |
| 48 | 1 – 8 | 8 | Cl |
Рисунок 2 – Исходная структура наночастицы
Рисунок 3 – Наночастица с одним удаленным бензольным кольцом
Рисунок 4 – Наночастица с двумя удаленными бензольными кольцами
Рисунок 5 – Наночастица с тремя удаленными бензольными кольцами
Рисунок 6 – Наночастица с четырьмя удаленными бензольными кольцами
Рисунок 7 – Наночастица с пятью удаленными бензольными кольцами
Рисунок 8 – Наночастица с шестью удаленными бензольными кольцами
Рисунок 9 – Наночастица с семью удаленными бензольными кольцами
Рисунок 10 – Наночастица с восемью удаленными бензольными кольцами
Рисунок 11 – Наночастица с дефектом – отсутствуют два атома углерода
Рисунок 12 – Распределение кулоновского потенциала поля в окрестностях наночастицы
Таблица 2 – Результаты расчета искомых параметров
| | Энергия частицы, kcal/mol | Дипольный момент, D | Т/д устойчивость, kcal/mol | Энергия образования дефекта, eV | Длина волны, nm |
| Без дефекта | 1345,0836 | 10.47 | - | - | - |
| - 1 кольцо | 1451,8792 | 2.116 | 106,7955 | 4,6433 | 267,05 |
| - 2 кольца | 1455,2606 | 2.344 | 110,1770 | 4,7903 | 258,86 |
| - 3 кольца | 1475,0339 | 0.3131 | 129,9503 | 5,6500 | 219,47 |
| - 4 кольца | 1484,9540 | 2.451 | 139,8704 | 6,0813 | 203,90 |
| - 5 колец | 1487,6465 | 2.312 | 142,5629 | 6,1984 | 200,05 |
| - 6 колец | 1500,3792 | 3.181 | 155,2955 | 6,7520 | 183,65 |
| - 7 колец | 1517,7462 | 3.452 | 172,6626 | 7,5071 | 165,18 |
| - 8 колец | 1530,7998 | 4,5717 | 185,7162 | 8,0746 | 153,57 |
| - 2 атома С | 1547,8092 | 1.622 | 202,7256 | 8,8142 | 140,68 |
| PM3 | -472061,9375 | 8.165 | - | - | - |
Вывод: В ходе работы научились анализировать оптимальную геометрию графеновых нанолент и овладели методом молекулярной механики ММ+ для расчета структуры графеновой наноленты.
Исходная графеновая наночастица приняла форму гиперболического параболоида, при различных дефектах структура менялась от сильно выгнутой до практически плоской.
По полученным данным для исходной наночастицы длины волн для образования принятых дефектов лежат в кортковолновом ультрафиолетовом свете.