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        氬團(tuán)簇填充到雙層石墨烯的分子動(dòng)力學(xué)模擬

        2019-07-01 03:43:40崔樹穩(wěn)魏連甲
        中國科技縱橫 2019年10期
        關(guān)鍵詞:石墨烯

        崔樹穩(wěn) 魏連甲

        摘 要:石墨烯是一種新型的碳納米二維材料,具有廣泛的應(yīng)用。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬,研究了雙層石墨烯不同層間距()對(duì)其內(nèi)氬團(tuán)簇構(gòu)型的影響。發(fā)現(xiàn)在受限二維空間內(nèi),層間距離的大小對(duì)氬團(tuán)簇的構(gòu)型有很大的的影響:當(dāng)=7和8時(shí),形成單層的結(jié)構(gòu), 當(dāng)= 9~11時(shí),形成雙層的結(jié)構(gòu),當(dāng)=13時(shí),形成三層的結(jié)構(gòu), 當(dāng)=15時(shí),出現(xiàn)了四層結(jié)構(gòu)。本研究可為石墨烯的應(yīng)用及新型碳基插層復(fù)合材料的制備提供一定的理論支撐。

        關(guān)鍵詞:石墨烯;填充;團(tuán)簇;分子模擬

        中圖分類號(hào):TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2019)10-0244-01

        0 引言

        石墨烯是一種新型的碳納米二維材料,具有大的比表面積、優(yōu)越的電子性能和機(jī)械性能等特點(diǎn), 可用于超級(jí)電容器、光催化、納米薄膜等,具有廣泛的應(yīng)用。雙層石墨烯具有納米尺度的層間距,且層間距具有可調(diào)節(jié)性等優(yōu)點(diǎn),對(duì)填充其內(nèi)的物質(zhì)的平衡結(jié)構(gòu)(構(gòu)型)有很大的影響。Algara-Siller等和Nair等發(fā)現(xiàn)了在石墨烯狹縫孔中,水可以形成“方形冰”結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法很難直接觀測到如此小的受限空間內(nèi)分子行為,分子模擬成為研究受限性質(zhì)的有效方法。趙夢(mèng)堯等人采用分子模擬方法研究了原態(tài)石墨烯/羥基改性石墨烯狹縫孔道中水分子的微觀行為。最近南怡伶等人采用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,研究了不同間距納米狹縫之間水的流動(dòng)行為。受到上面研究結(jié)果的啟發(fā),我們希望進(jìn)一步研究雙層石墨烯不同層間距()對(duì)其內(nèi)團(tuán)簇構(gòu)型的影響,本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬,研究了氬團(tuán)簇在層間距()為5~15的雙層石墨烯層間的構(gòu)型。通過本文的研究,可以進(jìn)一步幫助人們認(rèn)識(shí)限域環(huán)境對(duì)團(tuán)簇構(gòu)型的影響,為石墨烯的應(yīng)用及新型碳基插層復(fù)合材料制備提供一定的理論支撐。

        1 模擬方法

        雙層石墨烯模型采用20×15×1原胞,共1272個(gè)原子,豎軸方向上真空層的厚度設(shè)置為20,以避免體系相互影響。為了研究層間距的影響,選取石墨烯間距從5~15的不同模型。不同間距模型對(duì)應(yīng)的氬團(tuán)簇原子數(shù)目從8~193。分子動(dòng)力學(xué)模擬采用Material Studio中的Forcite模塊。模擬過程中,雙層石墨烯的碳原子位置固定。首先對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化,降低初始模型的能量,對(duì)優(yōu)化后的初始體系在溫度為20K下,進(jìn)行NVT分子動(dòng)力學(xué)馳豫,模擬中采用Compass力場,初始速度從Boltzmann隨機(jī)分布中選取,溫度采用Berendsen提出的方法進(jìn)行控制,運(yùn)動(dòng)方程采用Velocity-Verlet方法積分求解,時(shí)間步長為1fs。

        2 結(jié)果與討論

        對(duì)于模擬體系,表1給出了平衡時(shí),不同層間距下雙層石墨烯間填充的氬原子個(gè)數(shù)和平衡構(gòu)型的層數(shù)。

        為了便于比較,給出了體系在=9、13和15平衡構(gòu)型的側(cè)面圖,如圖1所示。

        從表1和圖1可以看出,當(dāng)層間距為5和6時(shí),氬原子不能進(jìn)入雙層石墨烯中。隨著層間距的增大,層間氬原子數(shù)目增加,氬原子需更長的時(shí)間才能達(dá)到平衡構(gòu)型。層內(nèi)氬團(tuán)簇形成明顯的層狀結(jié)構(gòu),并且在石墨烯狹縫內(nèi)氬原子以平行于石墨烯表面的形式存在,當(dāng)=7和8時(shí),形成單層的結(jié)構(gòu),當(dāng)=9~11時(shí),形成雙層的結(jié)構(gòu),當(dāng)=13時(shí),形成三層的結(jié)構(gòu),接近石墨烯表面的兩層原子最多,中間層氬原子數(shù)減少,當(dāng)=15時(shí),出現(xiàn)了四層結(jié)構(gòu),與=13時(shí)構(gòu)型類似。并且從圖中還可以看出,接近石墨烯表面的一層原子最多,原子從此層到接近中心處逐漸減少。這種現(xiàn)象可以歸因于:石墨烯壁和氬原子強(qiáng)的相互作用,氬原子沿壁面定向排布,可以近似稱之為“模板效應(yīng)”。不同層間距,對(duì)氬團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)存在一定的影響。

        3 結(jié)語

        本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬,研究了雙層石墨烯不同層間距()對(duì)其內(nèi)團(tuán)簇構(gòu)型的影響。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)層間距大于6時(shí),氬原子才能進(jìn)入雙層石墨烯中,雙層石墨烯層內(nèi)氬團(tuán)簇形成明顯的層狀結(jié)構(gòu),當(dāng)=7和8時(shí),形成單層的結(jié)構(gòu),當(dāng)=9~11時(shí),形成雙層的結(jié)構(gòu),當(dāng)=13時(shí),形成三層的結(jié)構(gòu),隨著層間距的增大,構(gòu)型的層數(shù)增多。并且在石墨烯層間氬原子以平行于石墨烯表面的形式存在。可以近似得出,當(dāng)層間距足夠大時(shí),層間團(tuán)簇構(gòu)型將會(huì)與體相沒有區(qū)別。本研究可為石墨烯的應(yīng)用及新型碳基插層復(fù)合材料的制備提供一定的理論支撐。

        參考文獻(xiàn)

        [1] Algara-Siller G, Lehtinen O, Wang F C, et al. Square ice in graphene nanocapillaries [J].Nature,2015,519(7544):443-445.

        [2] Nair R R, Wu H A, Jayaram P N, et al. Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes[J]. Science,2012,335(6067):442-444.

        [3] Xu, L.;Hu, Y. Z.;Ma, T. B.;Wang, H. Tunable giant anisotropic diffusion of water sub-monolayers between graphene layer[J].Nanotechnology,2013,24(50):505504.

        [4] 趙夢(mèng)堯,楊雪平,楊曉寧.石墨烯狹縫受限孔道中水分子的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2015,31(8):1489-1498.

        [5] 南怡伶,孔憲,李繼鵬,盧滇楠.納米狹縫中水流動(dòng)非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬[J].化工學(xué)報(bào),2017,68(5):1786-1793.

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