Исследование свойств фуллеренов и нанотрубок методом молекулярной динамики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

КОРНИЛОВ Дмитрий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФУЛЛЕРЕНОВ И НАНОТРУБОК МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2003 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Мелькер Александр Иосифович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Кривцов Антон Мирославович

кандидат физико-математических наук, Говоров Сергей Владимирович

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе

Российской академии наук (Санкт-Петербург)

Защита состоится 2003 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.229.08

в государственном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, корп. II, ауд. 265.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке СПбГПУ Автореферат разослан ои_ги£д\0Ю03 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.229.08

Воробьева Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Открытие фуллеренов в 1985 г. Ричардом Смолли, Робертом Кёлом и Гарольдом Крото (Нобелевская премия по химии за 1996 г.) и открытие нанотрубок в 1991 году Суоми Ииджима положили начало систематическому исследованию поверхностных структур углерода. Одной из самых важных проблем физики конденсированного состояния является определение структуры материалов, а так же путей ее достижения в ходе эволюции.

Экспериментальные методы позволяют получить лишь косвенные данные о динамике процессов, происходящих при формировании структуры, поэтому в настоящее время наряду с экспериментальными методами для изучения структурной организации пытаются использовать методы компьютерного моделирования, главным образом, метод молекулярной динамики. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет получать такую информацию о процессе, которая, как правило, совершенно недоступна в реальном эксперименте. Это в свою очередь дает широкую возможность для перехода от феноменологического описания к созданию строгой физической теории.

Цель работы.

1. На основе созданного ранее алгоритма для изучения самоорганизации полимеров разработать программные средства для моделирования самоорганизации фуллеренов и нанотрубок.

2. В отличие от применявшихся ранее методов молекулярной динамики разработать подход, в котором одновременно изучаются свойства электронной и ионной подсистем исследуемых материалов.

3. Изучить динамику процессов формирования фуллеренов и углеродных нанотрубок и определить наиболее вероятные модели их образования.

4. Разработать методику для изучения механических свойств углеродных нанотрубок.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

• методом молекулярной динамики «зарядов на связях» исследован процесс образования фуллеренов и углеродных нанотрубок

• этим же методом исследована деформация углеродных нанотрубок.

• получены структуры фуллеренов и нанотрубок, совпадающие с наблюдаемыми экспериментально.

• обнаружены конформационные дефекты фуллеренов. Практическая ценность работы.

В результате моделирования были найдены критерии формирования структуры фуллеренов и нанотрубок. Результаты работы указывают на необходимость учета дефектной структуры фуллеренов при анализе их свойств и практическом использовании. Была разработана методика для проведения компьютерных экспериментов по изучению деформации углеродных нанотрубок, которая может быть распространена и на другие материалы. Основные положения, выносимые на защиту:

• методика моделирования самоорганизации фуллеренов и нанотрубок

• закономерности формирования структур фуллеренов и нанотрубок

• конформационные дефекты в фуллеренах

• диаграммы растяжения углеродных нанотрубок Апробация работы. Результаты диссертации доложены:

1. На конференции «XXVIII неделя науки СПбГТУ» 6-11 декабря 1999г.

2. На международной конференции «International Workshop on Interface Controlled Materials: Research and Design» (Санкт-Петербург, Россия, 7-9 июня 2000г.)

3. На конференции «XXIX неделя науки СПбГТУ» 27 ноября-02 декабря 2000г.

4.T./.i*«Htiir* .: .'i j

, , *iif)j -4-

-■■,!! > j

4. На международной конференции «Fourth International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering » (Санкт-Петербург, Россия, 12-17 июня 2000г.)

5. На международной конференции «Sixth International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering » (Санкт-Петербург, Россия, 10-16 июня 2002г.)

6. На международной конференции «Frontiers of Nanoelectronics: Nanomeeting"2003» (Минск, Беларусь, 20-23 мая 2003г.)

7. На международной конференции «Seventh International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering » (Санкт-Петербург, Россия, 9-15 июня 2003г.)

8. На международной конференции «6th Biennial International Workshop: Fullerenes and Atomic Clusters» (Санкт-Петербург, Россия, 30 июня - 4 июля 2003г.)

а также на семинарах кафедры «Физика металлов и компьютерных технологий в материаловедении» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и Физико-Технического института РАН имени А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и выводов. Она содержит 168 страниц машинописного текста, 128 рисунков и список использованной литературы из 98 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель исследования, описана структура диссертации, раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ - НОВЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА Рассмотрены основные представления об особенностях строения и физических свойствах фуллеренов и нанотрубок, способах их получения, а также о механизмах их образования и роста. Приведён краткий обзор современных методов компьютерного моделирования, и в особенности методов молекулярной динамики, применяемых для исследования свойств фуллеренов и нанотрубок.

МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Моделирование самоорганизации фуллеренов и нанотрубок проводилось на основе созданного ранее алгоритма для изучения самоорганизации полимеров (Соловьев Д.В. Молекулярно-динамические исследования деформации полиэтилена: дис. на соиск. уч. ст. к. ф.-м. н. / СПбГТУ. СПб. 1998. 117 е.). Этот алгоритм был усовершенствован путем разработки нового метода молекулярной динамики «зарядов на связях», который позволяет одновременно изучать свойства электронной и ионной подсистем. На основе нового алгоритма создан пакет программного обеспечения для проведения компьютерных экспериментов по изучению самоорганизации и деформации фуллеренов и нанотрубок.

МОДЕЛИРОВАНИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ ФУЛЛЕРЕНОВ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК На основе нового метода молекулярной динамики «зарядов на связях» была проведена серия компьютерных экспериментов по самоорганизации фуллеренов и нанотрубок. Было установлено сильное влияние распределения неподеленных пар электронов на образование фуллеренов. Обнаружено что размер зарождающегося фуллерена зависит от начального распределения электронов на периферии исходного плоского кластера. На рис. 1 показана эволюция плоского кластера С24 в фуллерен сферической формы. Кроме

Начальна* конфигурация

20 поек

50 псек

60 псек

80 псек

100 псек

120 псек

Рис. 1. Эволюция плоского кластера С24 при температуре 100 К

фуллерена С24 были получены фуллерены Сгв, Сзб, С,ю и Сво- Моделирование самоорганизации фуллерена Сбо показано на рис. 2.

Высказано предположение, что существует критический размер графитового зародыша, который может самоорганизоваться в фуллерен, а образование больших фуллеренов происходит за счет слияния нескольких кластеров. У больших фуллеренов были обнаружены конформационные дефекты, происхождение и форма которых рассмотрены в следующем разделе.

Кроме моделирования самоорганизации фуллеренов было изучено образование однослойных открытых углеродных нанотрубок из плоских кластеров, состоявших из шестиугольников. Установлено, что увеличение размеров исходной плоской структуры в поперечном направлении приводит к неустойчивости в виде изгиба в направлении, перпендикулярном направлению закручивания. Обнаружено, что для образования зародыша типа кольца существует критический размер плоской конфигурации.

КОНФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ДЕФФЕКТЫ В УГЛЕРОДНЫХ

КЛАСТЕРАХ

Чтобы понять причины появления конформационных дефектов в фуллеренах была исследована форма углеродных кластеров малых размеров при разных температурах.

Были изучены циклогексан (СвН^), бензол (СбНб), нафталин (СюН«) а так же кластер Сю и молекулы С13Н9 и СиНю. На рис. 3 показаны конформационные дефекты в полностью ионизированном нафталине. В углеродных кластерах была обнаружена новая стабильная конформация, названная пропеллером. Известные конформационные дефекты в форме седла и лодки возникают в результате потери устойчивости по первой гармонике рис. 4 слева, а новый конформационный дефект как следствие потери устойчивости по второй гармонике рис. 4 справа. Переход в ту или иную конформацию

'■> Рис. 2. Образование фуллерена С«:

(a) - Эволюция плоского кластера Сзо'. 0 псек. - слева, 40 псек. - справа;

(b) - Начало соединения двух С30;

(c) - Соединение двух Сзо в кластер С«)- (поворот на 90°);

(d) - Кластер Сбо после 42 псек;

(e) - Конечная конфигурация (после 150 псек)

О псек • •■•а

• •

20 псек

0 псек • ■ • •

■ • ■ ■

■ • • . • . • • 40 псек

. и . * ...........' * 50 псек

СО- ■<*>■ V ,•

60 псек • • • •

80 псек

' ' ' 100поек ' и*

СО ж^ф»:

Рис. 3. Конформационные переходы в полностью ионизованном нафталине при температуре 100 К (слева) и 1000 К (справа).

1X3

Рис. 4. Потеря устойчивости шестиугольного каркаса под действием приложенных сил.

зависит от коэффициентов устойчивости, которые в свою очередь зависят от модулей упругости и приложенных сил.

Одновременно с исследованием структурной эволюции снимались временные зависимости средних межатомных расстояний. Это позволило установить дестабилизирующий фактор атомов водорода, которые «раскачивают» стабильную конфигурацию приводя молекулу к аморфному состоянию.

Исследовано влияние электронного распределения на конформационные переходы на примере молекулы бензола. Рассматривались молекулы с ассиметричным и антисимметричным распределением свободных валентных электронов. При ассиметричном распределение электронов формировались конформации типа лодка, при антисимметричном — типа пропеллер. Эти же конформационные дефекты обнаружены и в больших фуллеренах.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Для проведения компьютерных экспериментов по моделированию деформации открытой однослойной нанотрубки был разработан метод подвижного захвата, который позволял избегать отрыва захватов от образца. Была проведена серия компьютерных экспериментов по одноосному растяжению однослойной нанотрубки с различной хиральностью. На рис. 5-6 показана эволюция структуры для двух нанотрубок при деформации. Одновременно с эволюцией структуры были построены диаграммы растяжения (рис. 7-8).

Деформация открытой однослойной нанотрубки с хиральностью (0,10) при низких температурах локализована в области в один атомный слой, а ее развитие происходит в плоскости, нормальной к растягивающей силе. В случае высоких температур деформация захватывает большую область, причем область развития деформации расположена под углом к растягивающей силе.

Следует отметить, что в образце присутствуют напряжения, нормальные к растягивающим силам. По-видимому, это связано с тем, что активная часть

-И-

О псек

500 псек

Рис. 5. Деформация однослойной нанотрубки при температуре 1300 К

400 псек

800 псек

1400 псек

1600 псек

Рис. 6. Деформация однослойной нанотрубки с хиральностью (2, 10) при

температуре 100 К

образца ведет себя как шейка, а образование шейки локально изменяет напряженное состояние. В результате вместо одноосного напряженного состояния возникает трехосное, что приводит к локальному поперечному сжатию.

На диаграммах растяжения при высоких температурах наблюдаются осцилляции. Похожие осцилляции наблюдаются и на временной зависимости средней растягивающей силы в срединной части образца. Это указывает на то, что после окончания разрушения в образце продолжается релаксация.

Время пик Зремя осек

Рис. 7. Диаграмма растяжения, полученная для деформации нанотрубки с хиральностью (О, 10) при температуре 1300 К. Показаны временные зависимости средней растягивающей силы в направлении растяжения (ось 2- справа и в направлении нормали (ось ХУ) - слева.

Рис. 8. Диаграмма растяжения, полученная для деформации нанотрубки с хиральностью (2, 10) при температуре 100 К. Показаны временные зависимости средней растягивающей силы в направлении растяжения (ось 2.¡) - справа и в направлении нормали (ось ХУ) - слева.

В случае нанотрубки с хиральностью (2,10) деформация охватывает широкую область в несколько атомных слоев. Увеличение области активной

деформаций по сравнению с нанотрубкой с хиральностью (0,10) происходит как при высоких, так и при низких температурах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Разработана модель молекулярной динамики «зарядов на связях» и программное обеспечение для изучения самоорганизации и механических

}

свойств широкого спектра углеродных нанокластеров. I. 2. Проведено моделирование самоорганизации фуллеренов в диапазоне от С24

1 ' до Сбо- Полученные фуллерены обладают хорошей сферической формой.

Показано влияние распределения электронов, не участвующих в образовании связей, на формирование и размер фуллеренов. Обнаружены конформационные дефекты в больших фуллеренах.

3. Исследованы конформационные переходы в малых циклических углеродных 1 кластерах. Выявлены новые стабильные конформации: пропеллер - для

одноциклических кластеров, двойной пропеллер - для двуциюшческих, а так же условия их формирования. Образование этих конформаций объясняются в рамках теории устойчивости.

1

4. Проведено моделирование самоорганизации открытых однослойных 1 углеродных нанотрубок. Показано существование критического размера

зародыша в виде плоского кластера, из которого возможно образование нанотрубки.

5. Исследована деформация углеродных нанотрубок различной хиральности. ^ Определены механизмы развития деформации в нанотрубках при одноосном

растяжении. Построены диаграммы растяжения нанотрубок.

!

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ:

1. Корнилов Д.А, Романов С.Н. Молекулярно-динамическая модель зарядов на связях для ковалентных соединений // XXVIII неделя науки СПбГТУ 6-11

декабря 1999 года (ч.З: Физико-механический факультет). Материалы межвузовской научной конференции. СПб:Издательство СПбГТУ. 2000.

C. 68

2. Мелькер А.И., Корнилов Д.А., Романов С.Н. Фуллерены: необычные свойства и модели образования // Нелинейные проблемы механики и физики деформируемого тела / под ред. К.Ф. Черных, Санкт-Петербургский государственный университет. СПб. 2000. вып. №3. С. 123-145.

3. Melker A.I., Romanov S.N., Kornilov D.A. Computer simulation of formation of carbon fullerenes // Materials Physics and Mechanics. 2000. Vol. 2. No. 1. P. 42-50

4. Melker A.I., Romanov S.N., Kornilov D.A. Computer simulation of formation of small fullerene molecules // Proceedings of SPAS (St. Petersburg Academy of Sciences on Strength Problems). 2000. Vol. 4. P. C2-C7

5. Корнилов Д.А, Мелькер А.И. Самоорганизация углеродных кластеров // XXIX неделя науки СПбГТУ 27 ноября - 02 декабря 2000 года (ч.4: Физико-механический факультет и факультет медицинской физики и биоинженерии). Материалы межвузовской научной конференции. СПб:Издательство СПбГТУ. 2001. С. 27-28

6. Kornilov D.A., Melker A.I., Romanov S.N. New molecular dynamics predicts fullerene formation // Proceedings of the International Society for Optical Engineers. 2001. Vol. 4348. P. 146-153

7. Carbon nanotubes: formation and computer simulation / Melker A.I., Kornilov

D.A., Romanov S.N., Izotova N.A. // Proceedings of SPAS (St. Petersburg Academy of Sciences on Strength Problems). 2002. Vol. 6. P. C35-C38

8. Kornilov D.A., Melker A.I., Romanov S.N. Thermal vibrations of carbon nanoclusters and fullerenes // Proceedings of SPAS (St. Petersburg Academy of Sciences on Strength Problems). 2002. Vol. 6. P. C39-C46

9. Kornilov D.A., Melker A.I. Mechanical properties of carbon nanotubes: a molecular dynamics study // Proceedings of SPAS (St. Petersburg Academy of Sciences on Strength Problems). 2003. Vol. 7. P. C27-C32

10. Carbon nanotubes: formation and computer simulation / Melker A.I., Kornilov D.A., Romanov S.N., Izotova N.A. // Proceedings of the International Society for Optical Engineers. 2003. Vol. 5127.

11. Kornilov D.A., Melker A.I., Romanov S.N. Conformation transitions in fullerenes at non-zero temperatures // Proceedings of the International Society for Optical Engineers. 2003. Vol. 5127.

12. Conformation transitions in cyclohexane and benzol / Melker A.I., Kornilov D.A., Vorobyeva T.V., Ivanov A.A. // Proceedings of the International Society for Optical Engineers. 2003. Vol. 5127.

13. Kornilov D.A., Melker A.I., Romanov S.N. Irregular forms of fullerenes: temperature influence // 6th Biennial International Workshop: Fullerenes and Atomic Clusters. Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers. IWFAC'2003. 2003. P. 275

14. Melker A.I., Kornilov D.A., Romanov S.N. Molecular dynamics study of formation and mechanical properties of carbon nanotubes // 6th Biennial International Workshop: Fullerenes and Atomic Clusters. Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers. IWFAC'2003. 2003. P. 223

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать &¥■ <(0. Я002 Объем в п.л. У.

Тираж /СЮ Заказ

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе К.Ы-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04

I 1

у

I, í

I i

i

í<=> <=>3-f\

#163*2

> 1

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1 История открытия фуллеренов и нанотрубок.

1.2. Фуллерены и нанотрубки в конденсированном состоянии.

1.3. Получение фуллеренов и нанотрубок.

1.4. Образование фуллеренов и нанотрубок.

1.5. Модели роста фуллеренов.

1.5.1. Сборка фуллеренов из фрагментов графита.

1.5.2. Модель улитки.

1.5.3. Правило пятиугольника.

1.5.4. Сборка из колец.

1.5.5. Путь фуллерена.

1.5.6. Отжиг углеродных кластеров.

1.5.7. Кристаллизация жидкого кластера в фуллерен.

1.5.8. Образование изомеров фуллеренов.

1.5.9. Фуллерены - зародыши сажевых частиц.

1.6. Механизмы роста нанотрубок и конусов.

1.6.1. Рост многооболочечных нанотрубок при помощи катализаторов.

1.6.2. Механизмы роста нанотрубок с многими оболочками.

1.6.3. Механизмы роста однооболочечных нанотрубок.

1.6.4. Зародыши роста нанотрубок.

1.6.5. Рост однооболочечных нанотрубок при помощи катализаторов.

1.6.6. Образование связок нанотрубок.

1.6.7. Образование углеродных конусов.

1.7. Молекулярно-динамическое моделирование образования фуллеренов и нанотрубок.

2. Методика моделирования.

2.1. Моделирование самоорганизации молекул.

2.2. Моделирование деформации молекул.

2.3. Программная реализация метода молекулярной динамики «зарядов на связях».

3. Самоорганизация фуллеренов и нанотрубок.

3.1 Самоорганизация фуллеренов.

3.1.1. Результаты моделирования самоорганизации малых фуллеренов.

3.1.3. Результаты моделирования самоорганизации фуллерена Ceo.

3.1.4. Обсуждение результатов.

3.2 Самоорганизация нанотрубок.

3.2.1. Методика компьютерного эксперимента.

3.2.2. Результаты моделирования самоорганизации нанотрубок.

3.2.3. Обсуждение результатов.

4. Конформационные переходы в малых углеродных кластерах.

4.1. Конформации малых углеродных кластеров.

4.2. Циклогексан и бензол.

4.2.1. Методика компьютерного эксперимента.

4.2.2. Конформационные переходы в циклогексане.

4.2.3. Конформационные переходы в бензоле.

4.3. Нафталин.

4.3.1. Методика компьютерного эксперимента.

4.3.2. Конформационные переходы в нафталине.

4.4 3-х циклические углеродные кластеры.

4.4.1 Методика компьютерного эксперимента.

4.4.2 Конформационные переходы в трехциклических углеродных кластерах.

4.5 Обсуждение результатов.

5. Деформация нанотрубок.

5.1. Результаты моделирования.

Открытие фуллеренов в 1985 г. Ричардом Смолли, Робертом Кёлом и Гарольдом Крото (Нобелевская премия по химии за 1996 г.) и открытие нанотрубок в 1991 году Суоми Ииджима положили начало систематическому исследованию поверхностных структур углерода [1]. Одной из самых важных проблем физики конденсированного состояния является определение структуры материалов, а так же путей ее достижения в ходе структурной эволюции.

Выяснение структурной эволюции с помощью различных экспериментальных методов встречает на своем пути трудности различного рода. Экспериментальные методы позволяют получить лишь косвенные данные о динамике процессов, происходящих при формировании структуры, поэтому наряду с экспериментальными методами для изучения структурной организации применяют методы компьютерного моделирования, главным образом, метод молекулярной динамики. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет получать такую информацию о процессе, которая, как правило, совершенно недоступна в реальном эксперименте. Это в свою очередь дает широкую возможность для перехода от феноменологического описания к созданию строгой физической теории.

В настоящее время преимущество метода молекулярной динамики остается мало использованным в изучении процессов самоорганизации и различных свойств углеродных структур. При всем этом за последние годы на кафедре физики металлов и компьютерного моделирования в материаловедении был достигнут немалый прогресс в области изучения самоорганизации полимеров и биополимеров, а так же в изучении поведения этих материалов при деформации.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. На основе созданного ранее алгоритма для изучения самоорганизации полимеров разработать программные средства для моделирования самоорганизации фуллеренов и нанотрубок.

Введение5

2. В отличие от применявшихся ранее методов разработать подход, в 4 котором одновременно изучаются свойства электронной и ионной подсистем исследуемых материалов.

3. Изучить динамику процессов формирования фуллеренов и углеродных нанотрубок и Определить наиболее вероятные модели их образования.

4. Разработать методику для изучения механических свойств углеродных нанотрубок.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

• методом молекулярной динамики «зарядов на связях» исследован процесс образования фуллеренов и углеродных нанотрубок

• этим же методом исследована деформация углеродных нанотрубок.

• получены структуры фуллеренов и нанотрубок, совпадающие с наблюдаемыми экспериментально.

• обнаружены конформационные дефекты фуллеренов. Практическая значимость работы

В результате моделирования были найдены критерии формирования структуры фуллеренов и нанотрубок. Результаты работы указывают на необходимость учета дефектной структуры фуллеренов при анализе их свойств и практическом использовании. Была разработана методика для проведения компьютерных экспериментов по изучению деформации углеродных нанотрубок, которая может быть распространена и на другие материалы.

Основные положения, выносимые на защиту

• методика моделирования самоорганизации фуллеренов и нанотрубок

• закономерности формирования структур фуллеренов и нанотрубок

• конформационные дефекты в фуллеренах

• диаграммы растяжения углеродных нанотрубок

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и

6. Заключение v

Основными результатами данной работы является следующее:

1. Разработана модель молекулярной динамики «зарядов на связях» и программное обеспечение для изучения самоорганизации и механических свойств широкого спектра углеродных нанокластеров.

2. Проведено моделирование самоорганизации фуллеренов в диапазоне от С24 до Сбо- Полученные фуллерены обладают хорошей сферической формой. Показано влияние распределения электронов, не участвующих в образовании связей, на формирование и размер фуллеренов. Обнаружены конформационные дефекты в больших фуллеренах.

3. Исследованы конформационные переходы в малых циклических углеродных кластерах. Выявлены новые стабильные конформации: пропеллер - для одноциклических кластеров, двойной пропеллер — для двуциклических, а так же условия их формирования. Образование этих конформаций объясняются в рамках теории устойчивости. 4. Проведено моделирование самоорганизации открытых однослойных углеродных нанотрубок. Показано существование критического размера зародыша в виде плоского кластера, из которого возможно образование нанотрубки.

5. Исследована деформация углеродных нанотрубок различной хиральности. Определены механизмы развития деформации в нанотрубках при одноосном растяжении. Построены диаграммы растяжения нанотрубок.

1. Литература. 1. Ceo: Buckminsterfiillerene Kroto H.W., Heath J.R., OBrien S.C, Curl R.F., Smalley, R.E. //Nature. 1985. Vol. 318, P. 162.

2. Елецкий A.B., Смирнов Б.М. Кластер Сбо новая форма углерода УФН. 1991.Т. 161.№7.С. 173-192.

3. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода УФН. 1995. Т. 165. №9. 977-1009.

4. Лозовик Ю.Е., Попов A.M. Образование и рост углеродных наноструктур УФН. 1997. Т. 167. №7. 748-776.

5. Ijima S. Helical microtubules of graphitic carbon Nature. 1991. Vol. 354 P. 56

6. Елецкий A.B. Углеродные нанотрубки УФН. 1997. Т. 167. №9. 945.

7. Кристаллическая структура Сбо/Суо мембраны В.Ф. Мастеров, А.В. Приходько, Т.Р, Степанова, В.Ю Давыдов, О.И. Коньков ФТТ. 1998. Т. 40. №3. 580-583.

8. Apell Р., Ostling D. Collective resonances of carbon onions Solid State Communication. 1993. Vol. 87. №3. P. 219-222. 9. On the Coulomb interaction in carbon onions and their absorption spectra D. Ostling, A. Rosen, S. P. Apell, G. Mukhopadhyay Surface Review and Letters. 1996. Vol. 3. №1. P. 843-847. lO.Collective resonances of the Ceo molecule: effects of electron-density profile D. Ostling, A. Rosen, S. P. Apell, G. Mukhopadhyay J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1996. Vol. 29. P. 5115-5125.

9. Apell P., Ostling D. Calculations of the electronic structure of doped backminsterfuUerene Supplement to Z. Phys. 1993. Vol. 26. P. 279-281.

10. Спектр скоростей малых неупругих деформаций монокристалла Сбо в области фазового перехода при 250-260 К В.В. Шпейзман, Н.Н. Песчанская, В.М. Егоров, В.И. Николаев, Р.К. Николаев, Б.И. Смирнов ФТТ. 1999. Т. 41. вып. 6. 1115-1118.

11. Аномалии микроволновой проводимости в поликристаллической Сбомембране В.Ф. Мастеров, А.В. Приходько, О.И. Коньков, В.Ю Давыдов ФТТ. 1998. Т. 40. №3. 577-579.

12. Kroto H.W. The Stability of the Fullerenes Cn, with n 24, 28, 32, 36, 50, 60, and 70//Nature. 1987. Vol. 329. P. 529.

13. Structure of Single-Phase Superconducting Кз Ca I Stephens P.W., Mihaly L., Lee P.L., Whetten R.L., Huang S.-M., Kaner R., Deiderich F., Holczer K. Nature. 1991. Vol. 351. P. 632.

14. Isolation, Separation, and Characterization of the Fullerenes Сш and СУЗ: The Third Form of Carbon Taylor R., Hare J.P., Abdul-Sada A.K., Kroto H.W. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1990. P. 1423. 19. A Simple Chemical Method of Opening and Filling Carbon Nanotubes Tsang S.C, Chen Y.K., Harris P.J.F., Green M.L.H. Nature. 1994. Vol/ 372. P. 159.

15. Photophysics of Metal Complexes of Spheroidal Carbon Shells Weiss F.D., OBrien S.C, Elkind J.L., Curl R.F., Smalley R.E. J. Am. Chem. Soc. 1988. Vol. 110. P. 4464.

16. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls Bethune D. S., Kiang С H., DeVries M. S., Gorman G., Savoy R., Beyers R. Nature. 1993. Vol. 363. P. 605

17. Коровкин E.B., Николаев Р.К. ИК-фотопроводимость монокристаллов фуллереновСбо//ФТТ. 1999. Т. 41. вып. 6. 1113-1114.

18. Эффект оптического ограничения в системе холестерический жидкий кристалл-фуллерен В.В. Данилов, А.Г. Калинцев, Н.В, Каманина, А. Тульский ПЖТФ. 1998. Т. 24. Хо9. 66-69.

19. Диэлектрические свойства молекулярных комплексов Сбо А.А. Пронин, СВ. Демишев, Н.Е. Случанко, Н.А. Самарин, Д.В. Конарев, Р.Н. Любовская ФТТ. 2000. Т. 42. №3. 573-575.

20. Березкин В.И. Фуллерены как зародыши сажевых частиц ФТТ. 2000. Т. I i 42. №3. 567-572.

21. Saito Y., Kawabata К., Okuda М. Single-Layered Carbon Nanotubes Synthesized by Catalytic Assistance of Rare-Earths in a Carbon Arc The Journal of Physical Chemistry. 1995. Vol. 99. P. 16076

22. Kinetics of fullerene formation in contact arc generator Z. M. Markovic, B. M. Todorovic-Markovic, T. Lj. Jokic, P. Pavlovic, P. Stefanovic, J. Blanusa, T. Nenadovic Fullerene Science and Technology. 1998. Vol.6, issue 6. P. 1057-1068.

23. Гиллеспи P., Геометрия молекул. М: Мир, 1975.

24. Soloviev D.V., Melker A.L Formation, structure, and deformation of a polyethylene globule in confined geometry Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 1998. Vol 6. №4. P. 361-368.

25. Melker A.L, Soloviev D.V. Molecular dynamics study of polyethylene extension International Workshop on Nondestructive Testing and Computer t? Simulations in Science and Engineering. Proceedings of SPIE. 1999. Vol. 3687, P. 132-141. r>

26. Kraetschmer W. //Nature. 1990. Vol. 347. P. 354.

27. Дьячков П.Н., Кирин Д.В. Учет внутренней полости в методе линейных присоединений цилиндрических волн для электронной структуры нанотрубок. Доклады академии наук. 1999. Т. 369. №5. 639. 3В.Дунаевский СМ., Розова М.Н., Кленкова Н.А. Электронная структура графитовых нанотрубок ФТТ. 1997. Т. 39. №6. 1118.

28. Дедков Г.В., Рехвиашвили Ш. Нанотрубки и силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе ЖТФ. 1999. Т. 69. вып. 8. 124.

29. Kiang Н., Goddard III W.A., Beyers R., Salem J.R., Bethune D.S. Catalytic Synthesis of Single-Layer Carbon Nanotubes with a Wide Range of Diameters The Journal of Physical Chemistry. 1994. Vol. 98. P. 6612. 41.1jima S., Ichihashi T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter Nature. 1993. Vol. 363. P. 603.

30. Дедков Г.В., Рехвиашвили Ш. Нанотрубки и силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе ЖТФ. 1999. Т. 69. вып. 8. 124.

31. Direct synthesis of high-quality single-walled carbon nanotubes on silicon and quartz substrates Murakami Y., Miyauchi Y., Chiashi S., Maruyama S. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 377. P. 49-54.

32. Synthesis of single-walled carbon nanotubes with narrow diameter-distribution from fullerene Maruyama S., Miyauchi Y,, Edamura Т., Igarashi Y., Chiashi S., Murakami Y. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 375. 5-6. P. 553-559.

33. Yakobson B.I. Physical Property Modification of Nanotubes United States Patent No. 6,280,677 Bl. Aug. 28. 2001.

34. Yakobson B.I. Physical Property Modification of Nanotubes U.S. Patent Application. Attorney Docket 60/064,539 (09/186,396). 2000.

35. Compression of Carbon Nanotubes Filled with C60, CH4, or Ne:Predictions from Molecular Dynamics Simulations Ni В., Sinnott S. В., Mikulski P. Т., Harrison J. A. Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. 20. P. 205505

36. Macroscopic Ordered Assembly of Carbon Nanotubes Smalley R.E., Colbert D.T., Smith K.A., Walters D.A., Casavant M.J., Huffman СВ., Qin X., Yakobson B.I. U.S. Patent Application. Attorney Docket 002376.0840. 2000.

37. Single-Walled Carbon Nanotubes Catalytically Grown from Mesoporous Silica Thin Film Murakami Y., Yamakita S., Okubo Т., Maruyama S. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 375. №3-4. P. 393-398.

38. Characterization of Single-Walled Carbon Nanotubes Catalytically Synthesized from Alcohol Murakami Y., Miyauchi Y., Chiashi S., Maruyama S. Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 374. №1-2. P. 53-58.

39. Kudin K.N., Scuseria G.E., Yakobson B.I. C2F, BN and С nano-shell elasticity by ab initio computations Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64. P. 235406/10.

40. Yakobson B.L, Avouris Ph. Mechanical Properties of Carbon Nanotubes Carbon Nanotubes. 2001. P. 287-329.

41. Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of Heat Conduction of a Finite Length Single-Walled Carbon Nanotube Micro. Thermophys. Eng. 2003. Vol. 7.№ LP.41-50.

42. Maruyama S., Shibuta Y. Molecular Dynamics in Formation Process of SWNTs Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2002. Vol. 387. P. 87-92.

43. Shibuta Y., Maruyama S. Molecular Dynamics Simulation of Generation Process of SWNTs Physica B. 2002. Vol. 323. №1-4. P. 187-189.

44. Samsonidze G.G., Yakobson B.L Kinetic theory of symmetry-dependent strength in carbon nanotubes Phys. Rev. 2001. B.LYakobson, "Polybuckyballs," American Scientist, 89 (2001):

46. Stress-induced fragmentation of multiwall carbon nanotubes in a polymer Matrix Wagner H. D., Lourie O., Feldman Y., Tenne R. Appl. Phys, Lett. 1998. Vol. 72. №2. P. 188-190.

47. Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of Heat Conduction of Finite Length SWNTs Physica B. 2002. Vol. 323. №1-4. P. 193-195.

48. Maruyama S. Endohedral Metallofullerene in Gas Phase Endoftillerenes: A New Family of Carbon Clusters. 2002. P. 273-293.

49. Maruyama S., Kohno M., Inoue S. Chemical Reaction of Metal-Carbon Binary Cluster Anions by FT-ICR Mass Spectrometer Fullerene 2000: Chemistry and Physics of Fullerenes and Carbon Nanomaterials. 2000. P. 309-319.

50. Yakobson B.I. Fullerene Polymers and Fullerene Polymer Composites Rev. of American Scientist. 2000.

51. Zhao Y., Yakobson B.I. Covalent Cross-Linking in Nanotube Materials: V Stability Analysis Appl. Phys. Lett. 2001.

52. Zhan-chun Tu Z.-C, Zhong-can Ou-Yang Single-walled and multiwalled carbon nanotubes viewed as elastic tubes with the effective Youngs moduli dependent on layer number// Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65. P. 233407.

53. Samsonidze Ge.G., Samsonidze Gu.G., Yakobson B.I. Thermodynamics and Kinics of Defect Formation in Strained Hexagonal Lattices J. Appl. Phys. 2001.

54. Maruyama S., Kohno M., Inoue S. FT-ICR Study of Chemical Reaction of Silicon Clusters Therm. Sci. Eng, 1999. Vol. 7. 6. P. 69-74.

55. Srivastava D., Barnard S. Molecular dynamics simulation of large-scale carbon nanotubes on a shared-memory architecture Proceedings of SuperComputing 97. 1997.

56. Formation Process of Empty and Metal-Containing Fullerene. -Molecular Dynamics and FT-ICR Studies Maruyama S., Yamaguchi Y., Kohno M., Yoshida T. Fullerene Science and Technology. 1999. Vol. 7. №4. P. 621-639.

57. Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Study on the Formation of Metallofullerene Fullerenes: Recent Advances in the Chemistry and Physics of Fullerenes and Related Materials. 1999. Vol. 7. P. 640-646. 76. Yu M.-F., Yakobson B.I., Ruoff R.S. Controlled Sliding and Pullout of Nested Shells in Individual Multiwalled Carbon Nanotubes J. Phys. Chem. В Lett. 2000. Vol. 104. P. 8764-8767.

58. Yakobson B.I., Samsonidze G., Samsonidze G.G. Atomistic Theory of Mechanical Relaxation in Fullerene Nanotubes Carbon. 2000. Vol. 38. P. 1675.

59. Zhao Y., Yakobson B. I., Smalley R. E. Dynamic Topology of Fullerene Coalescence Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. P. 185501.

60. Yakobson B.I., Avouris Ph. Mechanical Properties of Carbon Nanotubes Carbon Nanotubes. 2000. P. 293-333. SO.Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Study on the Formation of Metallofullerene The European Physical Journal D. 1999. Vol. 9. №1-4. P. 385-388.

61. Atomistic simulations of nanotube fracture Belytschko Т., Xiao S. P., Schatz G. C Ruoff R. S. //Phys. Rev. В., Vol. 65. P. 235430.

62. Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of the Fullerene Formation Process Chem. Phys. Lett. 1998. Vol. 286. №3-4. P. 336-342.

63. Topology and Energetics of the Mechanically Significant Defects in BN Nanotubes Bettinger H.F., Dumitrica Т., Scuseria G.E., Yakobson B.L Phys. Rev. B. Rapid Communications. 2002. Vol. 65.

64. Kwon Y.-K., Tom D., lijima S. «Bucky-Shuttle» Memory Device: Synthetic Approach and Molecular Dynamics Simulations Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82 P. 1-4.

65. Samsonidze Ge.G., Samsonidze G.G., Yakobson B.L Energetics of StoneWales Defects in Deformations of Monoatomic Hexagonal Layers Computational Materials Science. 2001. Vol. 24. P. 1000.

66. Maruyama S., Yamaguchi Y. A Molecular Dynamics Simulation for the Formation Mechanism of Fullerene Therm. Sci. Eng. 1995. Vol. 3. №3. P. 105-109.

67. Carbon Arc Generation of Сбо Haufler R. E., Chai Y., Chibante L. P. F., Conceicao J., Jin C, Wang L.-S., Maruyama S., Smalley R. E. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1991. Vol. 206. P. 627-638.

68. Thermionic Emission from Giant Fullerenes Maruyama S., Lee M. Y., Haufler R. E., Chai Y., Smalley R. E. Z. Phys. D. 1991. Vol. 19. P. 409-412.

69. Thompson J.M.T, Instabilities and Catastrophes in Science and Engineering ChichesterJohn Wiley Sons, 1982.

70. Plastic deformations in mechanically strained single-walled carbon nanotubes V Bozovic D., Bockrath M., Hafner J. H., Lieber С M., Park H., Tinkham M. Phys. Rev. B. 2003. Vol. 67. P. 033407. tr

71. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Parametric resonance of the transverse waves in polymer macromolecules: a reason for folding Nanobiology. 1996. Vol. 4. P. 71-82.

72. Srivastava D., Menon M., Cho K. Nanoplasticity of Single-Wall Carbon Nanotubes under Uniaxial Compression Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. №15. P. 2973-2976.

73. Elastic strain of freely suspended single-wall carbon nanotube ropes Walters D. A., Ericson L, M., Casavant M. J., Liu J., Colbert D. Т., Smith K. A., Smalley R. E. App. Phys. Lett. 1999. Vol. 74. №25. P. 3803-3805.

74. Galanov B.A., Galanov S.B., Gogotsi Y. Stress-strain state of multiwall carbon nanotube under internal pressure Journal of Nanoparticle Research. 2002. Vol. 4. P. 207-214.

75. Lourie O., Cox D. M., Wagner H. D. Buckling and Collapse of Embedded Carbon Nanotubes Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. №8. P. 1638-1641. 97.Yu M.-F., Dyer M. J., Chen J. Locked twist in multiwalled carbon-nanotube ribbons Phys. Rev. B. Vol 64. P. 241403

76. Strain-Induced Electronic Property Heterogeneity of a Carbon Nanotube Vol. 64. P. 035419/

77. Tekleab D., Carroll D.L., Samsonidze G.G., Yakobson B. I. Phys. Rev. 2001.