单壁碳纳米管CVD生长过程中手性延续控制的多尺度模拟研究

The chirality control is a big challenge during the synthesis of carbon nanotubes (CNTs). Despite the great breakthroughs on the chirality-selective growth of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) achieved by the researchers of China most recently, theoretical studies on the long-range inheritance of established chirality of as-grown SWNTs are rarely reported. In this program, based on multi-scale simulation (first-principles calculation, hybrid molecular dynamics simulation and Monte Carlo method, etc.), we will perform the theoretical exploration to the effects of the size (or morphology) variation of the catalyst particle, the symmetry of the carbon cap and the perturbation of the temperature on chirality inheritance of SWNTs with different initial diameters and chiralitys by bridging clear relation between the chirality stability and the aforementioned factors. On the other hand, we will investigate the chirality evolution of SWNT with the energetic path calculated after the failure of chirality-inheritance and explore the feasible way of guiding the chirality of as-grown SWNT to any other expected one by tuning the growth conditions. The studies proposed in this program will not only enrich the fundamental theory of the CNT growth but also provide new strategies for the chirality control during the scaled-up CNT production.

碳纳米管手性控制是其制备领域的一项重要挑战。近年来，我国科学家在单壁碳纳米管手性选择性制备方面取得了一系列重大突破。然而，针对单壁碳纳米管CVD生长过程中，其手性在较长范围延续的微观机制研究则鲜见报道。本项目拟采用多尺度理论模拟方案（如第一性原理计算，混合分子动力学/蒙特卡罗模拟等），针对单壁碳纳米管CVD生长过程中催化剂颗粒的尺寸(或形态)变化、碳帽的对称性以及温度的扰动对不同初始直径、手性的单壁碳纳米管手性延续产生的影响展开原子尺度的理论研究，建立清晰的手性稳定性延续与以上几种因素的对应关系。另一方面，我们将针对单壁碳纳米管在结构失稳后手性发生转变的构型和能量规律进行研究，探索通过改变生长条件诱导碳管朝任一特定手性演化的可行性途径。该项目的成功实施不仅能进一步丰富和完善碳纳米管生长理论，而且能够为实现特定手性的碳纳米管规模化量产提供新的思路。

在碳纳米管制备领域中，对其结构进行精准控制，使其手性或者直径能够达到纯度较高的分布(甚至达到100%)，一直是该领域一项重要的挑战。本项目采用多尺度理论模拟，主要进行了以下研究：1) 单壁碳纳米管生长初期手性形成的动力学机制；2) 碳纳米管克隆鲁棒性与催化剂尺寸的关系; 3）碳团簇、石墨烯纳米带在准熔化铜表面的动力学行为和碳帽对称性在碳纳米管生长过程中对结构的影响；4) Pt催化多环芳烃分子合成碳纳米管生长机制研究; 5) 碳纳米管分子动力学程序并行开发及顶端生长 ( tip growth) 分子动力学模拟；6) 催化剂颗粒（CoRex, Ir, Au，Ag等）在不同条件下的结构形态、性质以及对碳纳米管直径和手性的高效选择；7）单壁碳纳米管束聚合成多壁碳纳米管过程中的奇偶效应； 8）双壁碳纳米管管壁手性关联理论研究；10）其他低维材料能源催化、气敏性质。 通过本项目研究，我们从能量计算角度证明了碳纳米管成核过程手性受成核动力学影响呈现随机分布；明确了不同初始手性的碳纳米管在催化剂克隆生长过程中手性延续的鲁棒性与催化剂尺寸变化的关系； 发现了碳团簇/石墨烯纳米带在铜衬底表面沉降嵌入行为对后期生长的影响、 碳帽对称性在碳纳米管生长过程中产生的能量差，了解了Ag团簇在磷烯表面的结构形态、 能量规律、气体吸附性质，解释了实验中不同催化剂选择性制备单壁碳纳米管手性、直径分布的理论机制；合作开发了碳金属体系分子动力学并行程序，可用于如碳纳米管尖端生长等较大体系复杂模型的分子动力学模拟。该项目的完成进一步深化了碳纳米管生长以及手性控制理论，丰富了碳纳米管以及碳纳米金属体系理论方法和模拟工具，为实验提供全面深入的理论指导。此外，我们还拓展了碳纳米管及相关低维材料能源催化、气敏性质方面的理论探索, 进一步拓宽碳纳米管及低维材料的潜在应用。