Внедрение атомов газовой среды в борные нанотрубки типа вс

DOI:

В настоящее время внимание исследователей привлекают борные наноструктуры благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам. Сам бор применяется в виде добавки при получении коррозионно-устойчивых и жаропрочных сплавов. Его соединения – нитрид BN и другие – используются как полупроводниковые материалы и диэлектрики. Борные атомы могут соединятся между собой в цепочки, сетки, каркасы и другие формы. Поэтому последние десятилетия очень много исследователей обратили свое внимание на различные геометрические и топологические конфигурации бора (борные кластеры, борные нановолокна, бораны) [1–6].

В данной работе рассматриваются два способа заполнения борных нанотрубок атомами газовой среды: метод просачивания и капиллярный метод. Для изучения процесса заполнения была выбрана борная нанотрубка типа (6, 6). В качестве основной расчетной схемы использовалась модель молекулярного кластера в рамках квантово-химической схемы MNDO. Для изучения процесса адсорбции была выбрана структура элементарной ячейки БУНТ, которая состояла из 95 атомов бора и содержала пять слоев гексагонов в направлении продольной оси трубки и шесть гексагонов по ее окружности. На концах трубки нескомпенсирован-ные связи были замкнуты псевдоатомами, в качестве которых выступил атом водорода. Связь В-С в нанотубулене была выбрана 1.44 Å.

Механизм внедрения атомов

O, Н, Сl, F в полость БУНТ методом просачивания

Внедрение молекулы атомов моделировалось пошаговым приближением их к нанотрубке вдоль перпендикуляра, проведенного к центральной оси тубулена через центр бокового углеродного гексагона с шагом 0.1 Å.

Геометрия системы «БУНТ – внедряющийся атом» оптимизировалась на каждом шаге. Выполненные расчеты позволили построить энергетические кривые данного процесса для каждого атома (см. рис. 1).

Анализ результатов показал, что для проникновение внутрь трубки через боковую поверхность атомам необходимо преодолеть потенциальный барьер, отождествляемый с энергией активации Е _акт. Его величина может быть рассчитана по формуле:

E акт = Е БУНТ + Х – ( Е БУНТ + Е х )

где Е _{БУНТ + Х} – полная энергия системы взаимодействующих объектов (трубка + внедряющийся атом (Н, О, F, Сl)); Е _БУНТ – полная энергия бороуглерод-ной нанотрубки типа (6, 6); Е_х – энергия атомов О, Н, F, Cl.

Высота энергетических барьеров для каждого атома представлена в таблице. Следует отметить, что пик барьера находится внутри трубки. Анализируя величины барьеров, можно сделать вывод, что заполнение БУНТ методом просачивания возможно только для атома водорода (наименьшая величина барьера – Е _б = 3,75 эВ).

Основные энергетические характеристики процессов внедрения атомов путем просачивания

Атомы	Высота барьера, эВ
O	16,65
H	3,75
Cl	23,45
F	14,41

Исследование проникновения атомов газофазной среды в БУНТ (6, 6) капиллярным методом

Как известно, возможным способом внутреннего насыщения бороуглеродных нанотруб атомами является способ капиллярного проникновения элементов в полость ту-булена через его торец. Поэтому нами было рассмотрено заполнение бороуглеродного ту-булена (6, 6) атомами О, Н, F, Cl именно этим способом.

Исследовался вариант внедрения атомов через открытую границу тубулена. При этом ненасыщенные связи на границе полу-бесконечной трубки замыкались атомами водорода (так называемая «краевая функционализация»).

Были выполнены расчеты процесса внедрения для каждого предложенного атома.

Заполнение трубки моделировалось путем пошагового приближения атомов О, Н, F, Cl к тубулену вдоль его главной продольной оси (с шагом 0.1 Å) и проникновением внутрь через торец тубулена. Выполненные расчеты позволили построить энергетические кривые процесса внедрения атомов О, Н, F, Cl внутрь тубулена через его открытую границу (см., напр., рис. 2).

Рис. 1. Профили поверхности потенциальных энергий процессов внедрения О, F, Сl, Н в бороуглеродную нанотрубку (6, 6)

Рис. 2. Энергетические кривые зависимости энергии от расстояния для случая проникновения атомов через торец трубки

Анализ энергетической кривой для атома водорода обнаружил отсутствие энергетического барьера на пути атома H. При этом минимум на кривой, свидетельствующий об эффективности проникновения атома водорода в полость, находится внутри трубки. Значение минимума энергии на кривой, нормированной на бесконечность, отождествляется с энергией устойчивого положения атома водорода в полости ( Е _св).

Для случая внедрения атомов кислорода, фтора и хлора в полость трубки минимум энергии находится за пределами границы тубулена. Дальнейшее проникновение атомов в трубку требует дополнительных внешних условий, которые позволят преодолеть энергетический барьер. Как видно из рисунка 2, атомы, преодолев энергетический барьер, попадают в стабильное состояние уже внутри трубки. Этот факт иллюстрирует возможность заполнения БУНТ атомами газовой среды.

Заключение

Выполненные исследования доказали возможность и достаточную эффективность процесса заполнения борных нанотрубок атомами газовой среды, что открывает интересные перспективы использования интеркалиро-ванных тубуленов и создания новых устройств на их основе.