Получение углеродных нанотрубок и нановолокон на основе процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из разнообразных твердотельных носителей углерода. Сборка фуллеренов из многокольцевых углеродных кластеров. Расчет дугового разряда.
Аннотация к работе
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Физические механизмы формирования фуллеренов и углеродных нанотрубок Работа выполнена в Физико-Техническом Институте им. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Зегря Г.Г., доктор физико-математических наук, профессор Моливер С.С., доктор физико-математических наук, профессор Приходько А.В. Защита диссертации состоится «____» октября 2009г. в______ часов на заседании диссертационного совета Д Д.212.168.11 Новгородского государственного университета им.Модель синтеза фуллеренов, разрабатываемая в данной диссертации, включает анализ их сборки полуэмпирическими методами квантовой химии (КХ), широко применяемыми в физике и химии конденсированного состояния для описания кластерных структур, расчет плазмы дугового разряда и расчет формируемой дугой картины движения углерода и газа в дуговой камере. При этом КХ-анализ позволяет решить вопрос о вероятных предшественниках фуллерена, расчет фуллереновой дуги в разных инертных газах показывает, что именно в случае гелия как буферного газа достигаются одновременно высокая начальная концентрация углерода и сравнительно м?ньшая начальная скорость газоплазменной струи, формируемой дугой. Опыт исследования нанотрубок показывает, что такой механизм качественно описывает рост любых нанотрубок при их получении методами типа CVD (chemical vapor deposition), связанными с пиролизом газофазных углеродных носителей на поверхности каталитических частиц. Достижение этой цели реализовывалось путем решения следующих задач: 1. разработка модели образования фуллеренов в условиях дугового разряда, включающей анализ возможных путей их сборки, обобщение результатов этого анализа в виде достаточно простых аналитических формул и одновременно нетривиальных качественных выводов, расчет дугового разряда и кластеризации углеродного пара в формируемом разрядом потоке газа; модель должна была учитывать также газодинамику разрядной дуговой камеры и объяснять качественные закономерности спектра размеров фуллеренов, наблюдаемые в экспериментах; впервые разработана аналитическая модель синтеза углеродных нанотрубок на поверхности каталитических частиц, пересыщенных углеродом, способная предсказать результат синтеза - число зародышей нанотрубок, размер и тип нанотрубки, возможность сшивания нанотрубок в пучки;После определения магистрального пути сборки анализировалось изменение энергии связи и свободной энергии Гиббса для разных вариантов сборки в рамках этого пути в зависимости от числа атомов в кластере N и определялась скорость сборки для каждого из вариантов. 2. между сборкой почти правильного «сферического» фуллерена, в ходе которой преодолевается наибольший по величине максимум величины свободной энергии, и сборкой вытянутого фуллерена с преимущественным расположением пентагонов на полюсах-лежит множество путей сборки, времена прохождения которых отличаются незначительно. В главе II описаны расчеты параметров плазмы в дуге, газоплазменной струи, формируемой дугой, эволюции углеродного пара от атомов до предполагаемых предшественников фуллеренов в такой струе, и образования из них фуллеренов. 1 - расчет, 2 - усредненные данные эксперимента [7]. а) от тока дуги; давление PHE=100Top, 2b0=6мм. б) от давления гелия; I=80A, 2b0=6мм; c) от межэлектродного зазора; PHE=100 Top, I=80A Определение параметров дуги позволило провести расчет кинетики превращений углеродного пара в газоплазменной струе, формируемой этой дугой, от этапа атомов и атомарных ионов углерода до формирования би-и «три»-колец-непосредственных предшественников фуллеренов. Расчет показывает, что вдоль направления распространения струи можно выделить три области: область формирования цепочек и колец; область формирования би-и «три»-колец; область трансформации их в фуллерены.