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石墨烯是2004年才被发现能够独立存在的二维碳质新材料,最近的研究结果表明石墨烯卷曲成的碳纳米卷可用于储氢。
目前,碳纳米卷制备的研究尚处于探索阶段,为了进一步弄清石墨烯形成碳纳米卷的机制,理论模拟碳纳米卷的形成过程显得非常重要。本文采用分子动力学方法模拟了单层、双层及较大面积石墨烯卷成碳纳米卷的过程,并对模拟计算结果进行了较仔细的分析,具有创新性的研究工作主要反映在以下几个方面:
(1)通过MaterialsStudio构建出不同面积和不同层数的石墨烯的分子动力学模拟模型,利用Linux搭建出Lammps运行的系统平台。
(2)在温度T=300K、压强P=1atm的常温常压条件下,模拟一片长为177.1212A、宽为24.1448A的石墨烯卷成碳纳米卷的过程。根据计算数据,画出能量变化和受力变化图。研究表明,石墨烯卷成碳纳米卷时,石墨烯系统的能量在逐渐降低,说明碳纳米卷比石墨烯更稳定,最终得到的碳纳米卷最内层直径为16.82A,比实验中得到的碳纳米卷最内层直径20-50A稍小。
(3)模拟了大面积单层石墨烯卷成碳纳米卷的形成过程,画出其能量变化图。研究表明,面积越大的石墨烯能量越高,但面积大小相差一倍的石墨烯卷成的碳纳米卷的最内层直径分别为16.80A和16.82A,说明卷成碳纳米卷的最内层直径的大小受石墨烯面积大小的影响甚微。
(4)模拟了双层石墨烯卷曲的过程,画出能量变化和受力变化图,对其分析可知其卷曲的过程中相应能量的降低有几个大的波动,说明单层石墨烯比双层石墨烯更容易发生卷曲,层数越多的石墨烯越稳定。