Внедрение атома кобальта в структуру пиролизованного полиакрилонитрила

Полимеры являются неотъемлемой частью современного общества и стали повсеместными в нашей повседневной жизни. От одежды, которую мы носим, до еды, которую мы едим, полимеры играют важную роль практически во всем, что мы делаем. Это универсальные материалы, которые можно использовать в различных областях, что делает их важным компонентом современной промышленности. Полимеры - это макромолекулы, состоящие из повторяющихся звеньев, называемых мономерами. Это большие молекулы, которые могут состоять из тысяч или даже миллионов мономеров. Эта уникальная структура придает полимерам ряд свойств, делающих их полезными во многих областях. Например, полимеры могут быть твердыми и жесткими, как пластик, или мягкими и гибкими, как резина. Они также могут быть устойчивы к теплу, химическим веществам и воде, что делает их идеальными для использования в различных отраслях промышленности. Однако последнее время пользуются спросом и повышенным интересом металлоуглеродные нанокомпозиты. Нанокомпозиты металл-углерод представляют собой гибридные материалы, состоящие как из металлических, так и из углеродных компонентов. Эти материалы привлекли значительное внимание благодаря своим уникальным механическим, электрическим и термическим свойствам, что делает их пригодными для различных применений в различ- ных областях, от энергетики до наноэлектроники.

Интеграция металлов с материалами на основе углерода, такими как углеродные нанотрубки (УНТ) и графен, привела к созданию нанокомпозитов металл-углерод с превосходными свойствами по сравнению с их отдельными составляющими. Связь между металлическими и углеродными компонентами позволяет повысить механическую прочность, электропроводность и термическую стабильность. Для получения новых структур сейчас рассматривают полимеры, которые в своем составе имеют углерод и уникальную структуру, которая способна объединить и удержать металлические атомы.

Среди полимеров наиболее перспективным является пиролизованный полиакрилонитрил, благодаря своим уникальным электронным и физико-химическим свойствам [1-5].

Для изучения геометрических параметров и расчета электронноэнергетических свойств нанокомпозита на основе ППАН была предложена структура монослоя пиролизованного полиакрилонитрила с вакансионными дефектами, в центре которого располагался атом кобальта. Рассматривалось два вида дефекта: 1) в структуре отсутствовал один атом полимера; 2) в структуре отсутствовало два атома полимера (рис. 1). Вакансионный дефект смоделирован примерно в середине слоя, чтобы ослабить влияние краевых эффектов.

отсутствует один атом полимера                     отсутствует два атома полимера

Рис. 1. Расположение атома кобальта в матрице ППАН

Проведенные расчеты оптимизации геометрии системы «ППАН + атом Co» позволили получить пространственную конфигурацию кластера нанокомпозита.

По представленным результатам было обнаружено, что плоскость монослоя ППАН искривилась незначительно (рис. 2).

Рис. 2. Полимерная матрица ППАН с атомом кобальта

После полной оптимизации системы были образованы новые гексагональные связи между атомом кобальта и прилежа- щих к нему атомов полимера. Длины связей показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Приведенные данные о длинах связи после оптимизации

Была рассчитана ширина запрещенной зоны, построены одноэлектронные спектры (рис. 4) и зарядовое распределение. Распределение заряда показало, что атом, а содержит главный положительный электрический заряд системы, а соседние атомы отрицательный заряд (рис. 5).

Рис. 5. Одноэлектронные энергетические спектры

Рис. 4. Зарядовое распределение атомов металла в монослое ППАН

Это является следствием взаимосвязи между металлами и системой сопряженных связей в ППАН. Образовавшиеся комплексы в структуре вызывают смещение электронных облаков металла на двойные связи углерод-углерод. При этом происходит поляризация соседних атомов окружения атома кобальта. Таким образом, данную металополимерную единицу можно считать первым приближением для дальнейшего исследования образования металлических нанокластеров на основе ППАН.

Заключение. Выполненные DFT расчеты монослоя ППАН, в структуре которого был встроен атом кобальта, позволяют утверждать, что запутанная структура данного полимера позволит на ее основе получить новый металополимерный нанокомпозит. При этом контролируя концентрацию внедренного кобальта позволит контролируемо менять свойства нового материала.