Введение к работе
Актуальность темы. Исследованиям графена посвящено огромное число работ, преобладающую часть которых составляют теоретические работы. Большая часть этих работ основана на представлении графена в виде двумерного кристалла, чему подчинено и большинство вычислительных подходов. Главная роль в этих подходах отводится приближению функционала плотности, применяемому к элементарной ячейке кристалла графена, или в особых случаях - к структурно усложненной суперячейке, с последующим учетом периодических граничных условий. Однако, как указано в Википедии, «Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp2-гибридизации и соединённых посредством а- и тг-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку». Исходя из этого определения, достаточно трудно сказать, где в графене оканчивается молекула и начинается кристалл. Несомненно, что молекулярный аспект графена чрезвычайно важен для описания таких свойств, как химическое модифицирование графена, его взаимодействие с окружающими атомами и молекулами и даже его механические свойства. Вместе с тем, описанный выше алгоритм вычислений не позволяет исследовать молекулярный аспект в достаточной степени.
В диссертационной работе предлагается применить к рассмотрению графена молекулярную теорию. Такой подход открывает возможность применения к графену-молекуле большого арсенала средств молекулярной теории, в том числе эффективных методов квантовой химии. Подход с позиций молекулярной теории позволяет учесть такие его «молекулярные» особенности, как:
наличие 'лишних' электронов;
высокие донорно-акцепторные характеристики;
смягчение частот С-С валентных колебаний при изменении sp
электронной конфигурации на sp и многие др.
В работе проведено первое систематическое исследование графена с точки зрения молекулярной теории, затрагивающее ряд его химических и механических свойств.
Цель диссертационной работы. В работе молекулярная теория применена для решения двух актуальных задач, касающихся
химической модификации графена на примере его гидрирования;
наномеханики одноосного растяжения исходного и гидрированного графена.
Предметом исследования в обеих задачах является одна и та же молекула графена. Первая задача рассматривается с позиции молекулярной теории 'лишних' электронов, которые определяют химическую активность молекулы. Решение второй задачи производится в рамках молекулярной теории деформации, основанной на приближении координаты реакции, с одной стороны, и на концепции вовлечения нормальных колебаний в процесс деформации и разрушения, с другой.
В процессе решения этих задач предстояло
выявить механизм адсорбции водорода на графене и определить его параметры;
установить условия получения полипроизводных графена;
выявить механизм деформации и разрушения графена и определить механические характеристики упругой деформации;
установить влияние адсорбции водорода на прочностные свойства графена.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы
определяется следующими результатами:
1. Впервые процесс адсорбции атомов водорода на графене рассмотрен в
рамках молекулярный теории как пошаговое присоединение к нему
молекулы или атома водорода. Для определения атомов мишени
использована концепция алгоритмического вычислительного
конструирования полипроизводных sp2 наноуглеродов, основанная на
атомной химической восприимчивости [1]. Определены условия получения регулярных гидридов графена, в том числе, графана. Вычислены основные энергетические характеристики, определяющие этот процесс.
Впервые деформация и разрушение графена. под действием одноосного растяжения рассмотрены как механохимическая реакция. Обнаружена механическая анизотропия свойств графена и установлена ее причина. Определены основные механические характеристики упругой деформации графена.
Впервые деформация и разрушение графана под действием одноосного растяжения рассмотрены как механохимическая реакция. Установлены особенности механического поведения графана, обусловленные его гидрированием, и выявлены причины его изменения.
Впервые для объяснения различия значений модуля Юнга графена и графана использовано представление о вовлеченности валентных С-С колебаний в процесс деформации и их смягчение в результате sp -sp трансформации электронной системы.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается их согласием с имеющимися экспериментальными данными, а также строгостью примененных математических методов расчета.
Практическая значимость. Полученные результаты показали эффективность применения молекулярной теории для описания свойств графена, позволившего раскрыть детальные механизмы химического модифицирования графена в водородной плазме и его деформации и разрушения в условиях одноосного растяжения. Полученные результаты могут иметь большое значение для разработки теоретических основ водородных топливных элементов на основе sp наноуглеродных материалов ([2, 3]).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных и всероссийских форумах:
IX ежегодные международные молодежные конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика» (Москва, 2009 г.);
П-ая Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях" (Москва, 2009 г.);
П-й и Ш-й Международные форумы по нанотехнологиям «Rusnanotech» (Москва, 2009, 2010 гг.);
16-ая Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых
ученых ВНКСФ-16 (Волгоград, 2010 г.) (диплом за лучший доклад среди
аспирантов и молодых ученых);
Всероссийская школа-конференция для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Истра, Московская область, 2010 г.);
VII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2010 г.);
VII Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии. Конструкционные и функциональные материалы (в том числе наноматериалы) и технологии их производства» (Суздаль, 2010 г.);
IV Всероссийская конференция по наноматериалам «Нано 2011», (Москва, 2011 г);
Международная конференция «Современные углеродные наноструктуры - ACN-2011» (С.-Петербург, 2011 г.);
IV Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2011 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах. Из них 4 статьи, 14 публикаций в материалах конференций. Все работы опубликованы в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 139 наименований.