多元协同纳米材料界面的分子动力学模拟研究

论文摘要

“多元协同纳米材料”是本课题组在“二元协同纳米界面材料”基础上提出的概念,是对二元协同性和界面材料的推广与补充。它是以有效地利用化学场、光场、电场、磁场、热场等外场诱导作用下的非平衡态协同效应为前提,以寻求有技术投产前景的新型纳米复合材料为目的,在材料基体基础上进行多元协同纳米材料界面结构的构建。“多元协同纳米材料”的界面设计思想是:当多元组分采取某种特殊的界面协同后,在微观和介观尺度上形成交错的纳米尺寸的性质不同的界面相区,从而使材料具有某种功能。纳米石墨微片(NanoG)兼具纳米结构、量子禁闭效应、优良导电导热性等特点,有望成为下一代纳米电子元件材料,像操控波一样来操控电子。碳纳米管(CNT)因其独特的结构,在纳米电子学、信息、纳米机电系统、材料增强、能源等领域有了新的应用突破。树状大分子(Dendrimer)在药物、催化、分子识别等方面的应用已成为目前研究热点,且在光学、分子电子器件等方面已崭露头角。聚吡咯(PPy)纳米管和分子导线对纳米器件和分子器件的制造起着关键作用。因此本课题以NanoG、SWCNT、Dendrimer和PPy为界面设计对象,用分子动力学模拟技术进行了多元协同纳米材料的界面探究、优化和设计的递进式研究。主要内容分以下三个方面:1)从本课题组已制备的“纳米石墨薄片/氯化银/聚吡咯(NanoG/AgCl/PPy)纳米复合材料”入手,以实验数据为基础,用分子动力学方法模拟研究了三组分的微观和介观界面,得到了材料性能优良所必备的界面条件。NanoG均匀分布在PPy中,PPy以导电壳层结构修饰AgCl颗粒,其中PPy起着粘合剂的作用,分别与NanoG和AgCl以强界面结合。2)将1)中得到的条件,应用于界面材料的优化设计。实验结果表明树状大分子与其他组分可形成可调界面,因而我们选择“树状大分子/纳米石墨薄片/聚吡咯(Dendrimer/NanoG/PPy)”导电组分,建立其界面材料模型,研究其温度效应及热敏开关机理。均一的分布和适当的包覆导致界面材料在360K时出现高的兼容性;疏散的结构和弱的包覆导致材料在340K和400K时出现稳定但低兼容性结构。PPy和Dendrimer的界面兼容性对整体材料兼容性至关重要;NanoG对界面材料的稳定性起关键作用。Dendrimer/NanoG/PPy界面材料通过对各温度下树状大分子的形变控制,可实现热敏开关功能。3)吸取2)中的界面优化的结果,继续利用树状大分子的可调特性及纳米碳管的功能潜质,初步尝试了“树枝化单壁碳纳米管(Dendronized SWCNT)协同纳米材料”的界面设计。以SWCNT(11,5)为核,接枝树状重复单元,形成树枝化单壁碳纳米管。螺旋平行包覆的结构放大了纳米碳管的手性,整体有序的高选择性孔洞结构增强了其在手性识别方面的应用;并且这种树状重复单元在纳米碳管管壁的有序突出增强了碳管的活性点,为其场致发射性能的提高奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 界面设计对象
• 1.2.1 纳米石墨薄片
• 1.2.2 碳纳米管
• 1.2.3 聚吡咯
• 1.2.4 树状大分子
• 1.3 多元协同纳米材料界面设计
• 1.4 分子动力学模拟在材料界面中的应用
• 1.5 课题研究背景及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 分子动力学模拟技术
• 2.1 原理
• 2.2 相关参数
• 2.2.1 力场
• 2.2.2 截断方式
• 2.2.3 电荷赋值
• 2.2.4 系综
• 2.2.5 温度控制
• 2.2.6 结构单元尺寸和模拟时间
• 参考文献
• 第三章 NanoG/AgCl/PPy 纳米材料界面探究
• 3.1 引言
• 3.2 模型及参数
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 原子尺度界面
• 3.3.2 中尺度界面
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Dendrimer/NanoG/PPy 纳米界面材料的界面优化
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型及参数
• 4.3 界面分析
• 4.3.1 界面材料结构
• 4.3.2 稳定性
• 4.3.3 径向分布函数
• 4.3.4 温敏分子开关机理
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 Dendronized SWCNT 协同纳米材料界面设计
• 5.1 引言
• 5.2 模型及计算参数
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 界面结构
• 5.3.2 径向分布函数
• 5.4 应用预测
• 5.4.1 手性识别
• 5.4.2 场致发射
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 硕士期间专业论文发表及投寄情况
• 致谢