纳米金刚石的组装规律与分散性质研究

纳米金刚石团聚体的组装规律和分散方法问题是目前限制其应用与进一步研究的瓶颈问题。本项目将采用密度泛函理论计算方法和分子动力学模拟方法，重点研究和探讨纳米金刚石团聚体中纳米金刚石单体的组装规律，通过计算模拟纳米金刚石在不同温度条件下的结构转变方式，建立起与实验结构信息相符的纳米金刚石团聚体组装模型，达到完整重现纳米金刚石团聚体的真实结构的目标，并通过计算纳米金刚石单体结构的电荷密度分布情况，兼顾单体表面官能团的影响，计算团聚体中单体之间的静电作用和非静电作用相互作用强度，达到定量表征在不同分散环境下纳米金刚石团聚体中单体之间相互的强度，最终阐明在不同的分散条件下纳米金刚石团聚体的分散机制，达到给出实验上可行的纳米金刚石团聚体的分散方法的目的。本项目在纳米金刚石团聚体分散方面、纳米金刚石单体应用研究方面有重要的科学探索意义。

5nm纳米金刚石以其优异的催化活性和生物相容性在载药、化学催化等领域有着非常好的应用前景。5nm纳米金刚石有着一些奇特现象。例如，在结构转化方面，纳米金刚石在一定条件下会自发的进行石墨化转变，其(111)表面会从外向内的层层剥落，最终转化为巴基金刚石和洋葱碳结构的混合物。但是转变机制尤其是转变过程的结束点还不完全清楚。在稳定性方面，TGA升温实验发现，纳米金刚石在升温到一定程度时会发生爆炸式燃烧，或剧烈的质量损失并转变为多孔碳材料。在电子性质方面，5nm纳米金刚石在溶液中表现出正的zeta电势，理论计算结果却指出其部分表面带有正电势，因而其表面电学特性还没有被完全揭示。. 按照基金项目的研究计划，2012年1月-2015年12月四年期间，我们采用了多种理论计算方法，系统深入地研究了纳米金刚石的结构、稳定性、电子性质以及分散性质等，得到了一些非常有意义的研究结果: .一，用热力学方法研究了纳米金刚石的石墨化过程、纳米金刚石结构转变过程中决定石墨化程度的因素以及石墨化过程的最终产物结构，发现在石墨化转变过程中，对应的生成焓曲线含有若干峰和谷，谷的位置是由悬挂键的数目决定的，同时石墨化过程将终结于生成焓曲线所谷对应的位置。如果纳米金刚石的（111）面没有悬挂键，或悬挂键位于其他晶面上，石墨化过程将不会发生。.二，通过第一性原理计算方法，我们发现在石墨化过程中，随着悬挂键从纳米金刚石(111)表面向内部的转移，该表面的电子会发生重新排布，表面的电势也会出现一个从负电势到正电势的转变。.三，通过分子动力学方法，我们探索了纳米金刚石在TGA升温实验中的结构变化，发现在温度升高的过程中，它会经历四个结构变化阶段，最终转换为多孔无定形碳。我们的模拟结果不仅给出了此无定形化结构变化过程的细节，而且可以很好的解释实验测量结果和此过程产生的原因。.四，通过第一性原理计算和蒙特卡洛方法，我们发现纳米金刚石之间有非常强的范德华相互作用（其强度与碳碳单键的离解能相近）和较弱的静电相互作用。.五，通过密度泛函理论计算，我们发现只有新形成的碳碳键与晶体主轴方向一致时，二维纳米金刚石才会发生表面重构。.本课题的研究成果，无论对于纳米尺度理论的研究还是纳米材料的应用，都具有重要的科学价值与学术意义，为进一步研究揭示纳米金刚石的新颖性质以及解决生产应用过程中的难点问题提供了非常有益的帮助。