Analysis of Single-Walled Carbon Nanotubes Using a Chemical Bond Element Model

提出了一种纳米尺度的有限元方法,碳纳米管中的碳-碳化学键被模拟为键单元．按照平衡关系,根据有限元理论,作用于每个碳原子上的作用力可以写成键单元的刚度矩阵与每个碳原子位移的乘积．在分子力学的基本假设下,键单元刚度矩阵的每个元素可以写为分子力学中力场常数的函数,这样建立起了宏观力学方法(有限元)与纳米尺度力学方法(分子力学)之间的联系．应用该方法模拟了扶椅型与锯齿型单壁碳纳米管的力学行为从而验证了该方法的有效性．分析结果说明单壁碳纳米管的弹性模量与管厚度的选取直接相关．此外,弹性模量对所选取的分子力学中的力场常数非常敏感,管的弹性模量显示出对半径的尺度依赖性,但是管长度对弹性模量的影响小到可以被忽略．     

CO基态的偶极矩的量化计算研究

运用MOLPRO软件,采用基组6-31G,6-31G（d）,6-31G（2d,3f）,aug-cc-pv5z, 方法HF(Hartree-Fock)、CASSCF（完全活性空间自洽场）和MRCI（多参考组态相互作用）,计算了CO的基态 的偶极矩随核间距变化的12条曲线,与基于实验光谱数据的偶极矩在平衡位置的值以及在平衡位置的斜率进行了比较,结果表明,采用MRCI方法,aug-cc-pv5z基组的偶极矩曲线最为准确．平衡位置斜率的偏差小于1%．接着采用MRCI方法,aug-cc-pv5z基组计算得到了CO基态的势能曲线,进而通过求解核的薛定谔方程得到振动能级以及分子力常数,分子力常数与实验值符合的很好．     

基于变分Monte Carno计算的H2分子势能曲线的可靠性

基于Alexander and Coldwell报道的变分Monte Carno计算的势能曲线,计算了H2分子的振转能级.利用Murrell-Sorbie函数和最小二乘法拟合出了解析势能函数,以此为基础计算出光谱常数.通过与实验比较发现:由于该势能曲线考虑了相对论效应和非绝热效应,振转能级和光谱常数计算结果与实验值符合良好,与目前最高水平从头计算的结果相当,说明这种计算方法准确可靠,可进一步推广应用于势能函数计算之中.     

量子力学和分子力学联用方法

溶液体系中的一些化学行为、生物大分子的结构性能,已经成为很多理论研究的重点.在用分子力场来处理溶液体系的时候由于没有考虑电子的运动,所以在很多力场中,原子间的化学键必须确定,以确保在模拟过程中化学键不会破坏或生成.而如果用基于B-O近似的量化计算来处理溶液体系,由于计算过于耗时而不能处理太大的体系使得量化计算的方法受到了限制.于是产生了QM/MM的组合方法,并且在研究凝聚态中的化学反应和生物大分子尤其是酶催化反应的机理等方面有着广泛的应用,也取得了很大的进展.这一方法的优点是利用了量子力学的精确性,又利用了分子力学的高效性.对QM/MM组合理论及其发展历史进行简单的介绍,并对其应用作一些介绍.     

用ab initio方法计算NaLi分子基态（X^1∑^＋）的势能函数及光谱常数

运用原子分子群表示方法，首先确定NaLi分子的电子基态（X^1∑^＋）．然后选用6—311＋＋G（3df，2pd）基组优化计算得到NaLi分子基态（X^1∑^＋）的平衡结构和离解能，采用电子相关QCISD（T）方法结合6—311＋＋G（3df，2pd）基组对NaLi分子基态进行单点能扫描计算．最后用单点扫描计算值结合优化计算所得参数去拟合Murrell—Sorbie函数，得到了NaLi分子基态的势能函数．用该势能函数计算的光谱常数与实验结果符合得很好，表明拟合确定的势能函数能精确地描述基态NaLi分子的结构和性质．     

基于碳纳米管分子封装的一维电子波函数扫描

利用第一性原理,设计并研究了一类基于单臂碳纳米管的分子封装的分子体系．计算表明,半环葫芦脲类化合物可有效封装碳纳米管,引入微弱的分子间相互作用,对碳纳米管的电子态能级结构分布 仅带来微弱影响．半环葫芦脲分子与碳纳米管在管径方向的一维电子态波函数充分耦合,进而有效改变了一些前沿分子轨道的波函数在管径两头的分布以及相应的电子布居浓度．基于电子输运的模拟,发现半环葫芦脲分子在碳纳米管一维方向滑动时的某个电压下的电导变化可准确反映电子态波函数在相应分子导电通道上的一维分布信息．     

用代数-能量自洽法研究双原子分子解析势能函数

基于计算双原子分子完全振动能谱及离解能的代数方法 (algebraic method,AM)和研究双原子分子解析势能函数的能量自洽法(energy consistent method,ECM),建立了计算双核分子体系精确解析势能函数的代数-能量自洽法(AM-ECM).应用AM-ECM方法研究了7Li+2-23Σg,KH-X1Σ+,NaLi-X1Σ+和NaLi-A1Σ+电子态的解析势能表达形式,并与其他方法的研究结果进行了比较,获得了能正确描述这些电子态在渐近区和离解区的精确解析表达结果.     

含能材料的理论研究与数值模拟进展

1含能材料分子设计理论体系已初步形成从微观结构（电子、分子和晶体结构）出发,综合地运用以量子化学（QC）为核心的当代理论和计算化学方法,包括分子力学、化学动力学等多学科的理论方法,建立了一套系统、有效地评估含能材料多种重要性能的方法。实现了原子化方案及PDDG／MNDO法等3种新的QC半经验方法的计算程序,计算气相摩尔生成热有较高精度。得到计算固态标准生成焓的4种方法,其标准误差均达到了国际先进水平的要求,研究结果见表1。     

多参考组态相互作用方法研究MgCl分子低激发态的光谱和分子常数

利用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(ic-MRCI+Q)方法,结合相关一致全电子基aug-cc-pwCV5Z优化计算了MgCl分子5个低激发束缚电子态(5Λ–S)的势能曲线.为了得到高精度的光谱参量,计算中引入核价电子相关和相对论效应修正.基于修正的Λ-S束缚态的势能曲线,利用LEVEL8.0程序拟合得到相应的光谱常数、振动能级和分子常数,结果与其它的理论计算相比,本文的数值更接近实验值.这些结果说明高精度的计算方法和引入相关修正对分析光谱性质是非常必要的,这为进一步研究MgCl分子高激发态的光谱和跃迁特性提供理论支持.     

UC分子基态^П的量子力学计算

基于群论和量子力学计算,导出ＵＣ气体的基电子状态为＾３П,其平衡核间距和离解能,分别为０．１８５２ｎｍ和４．５４７０ｅＶ。同时,用量子力学的ＭＰ２方法计算得到势能曲线,由此导出基电子状态的Ｍｕｒｒｅｌｌ－Ｓｏｒｂｉｅ势能函数,并计算出能量,光谱和热力学性质,气态ＵＣ（Ｘ＾３П）的标准生成烩△Ｈｆ为８．０８．０６Ｊ／ｍｏｌ,定容热容Ｃｐ为３１．２８８Ｊ／ｍｏｌ,绝对熵Ｓ为２３５．７６Ｊ／ｍｏｌ．Ｋ。     

单壁碳纳米管杨氏模量的掺杂效应

用分子动力学方法研究了N,O,Si,P,S等5种杂质对扶手椅型(5，5)和锯齿型(9，0)单壁碳纳米管杨氏模量的影响.结果表明：直径为0.678和0.704 nm的扶手椅型(5，5)和锯齿型(9，0)碳纳米管在无掺杂时其杨氏模量分别为948和804 GPa.在掺杂浓度10％以下，碳纳米管的拉伸杨氏模量均随掺杂浓度增加近似呈线性下降规律，下降率以Si掺杂最大，N掺杂最小.对与C同周期的元素掺杂，随原子序数增加碳纳米管的杨氏模量下降率增大；与C不同周期的元素掺杂，碳纳米管的杨氏模量随掺杂浓度增加下降率更大，但 关键词： 碳纳米管 杂质 杨氏模量 分子动力学方法     

单壁碳纳米管弹性性质的羟基接枝效应

用分子动力学方法研究了端口接枝不同数量羟基对扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管弹性模量的影响.结果表明,未接枝的扶手椅型(5, 5),(10,10)管和锯齿型(9, 0),(18, 0)管杨氏模量分别为948,901和804,860GPa.在接枝2—8个羟基情况下,锯齿型单壁碳纳米管拉伸杨氏模量基本不随接枝数量增加发生变化,而扶手椅单壁碳纳米管则不同,接枝状态下的弹性模量比未接枝状态小很多,但接枝一定数量后,其杨氏模量又略增到某一稳定值.分别从接枝后碳纳米管变形电子密度等值线结构、C—C键长和系统结合能变化规律等方面,对单壁碳纳米管弹性模量的接枝效应进行了分析. 关键词： 碳纳米管 羟基 接枝效应 杨氏模量     

空位结构缺陷对C纳米管弹性性质的影响

用分子动力学方法对不同空位缺陷的扶手椅型与锯齿型单壁C纳米管杨氏弹性模量进行了计算和分析. 结果表明：扶手椅型（5, 5）, （10,10）和锯齿型（9, 0）, （18, 0） 纳米管在无缺陷时其杨氏模量分别为948,901和804,860 GPa. 随管径的增大,扶手椅型和锯齿型单壁C纳米管弹性模量分别减小和增大,表现出完全不同的变化规律. 随着C纳米管中单点空位缺陷的均匀增加,杨氏模量下降,当缺陷比率增加到一定程度时,杨氏模量下降骤然趋缓,形成一下降平台;双空位缺陷对C纳米管杨氏模量的影响与其分布方向有关;随单点空位缺陷间原子数的增加,在轴向上,杨氏模量下降到某一值小幅波动,而在周向上杨氏模量先下降,然后上升到某一稳定值. 随两单点空位缺陷的空间距离进一步增大,杨氏模量又呈微降趋势. 通过分子间σ键与π键特征及缺陷间近程电子云耦合作用规律与空位缺陷内部5-1DB缺陷的形成特点等理论对上述规律进行了分析. 关键词： 空位缺陷 C纳米管 分子动力学 杨氏模量     

单壁碳纳米管非线性力学行为的数值模拟

单壁碳纳米管的力学行为是纳米复合材料和纳米器械的基本问题之一.使用有限元方法系统地研究了单壁碳纳米管的轴压和纯弯变形，并将有限元模拟结果和分子动力学模拟结果进行了比较.研究结果表明单壁碳纳米管的轴压屈曲载荷受直径变化的影响；单壁碳纳米管在弯曲载荷作用下的屈曲和后屈曲行为强烈地依赖于管长和管径的变化，合理地选择碳纳米管的弹性模量和壁厚，有限元方法能够很好地解释碳纳米管的屈曲机理.研究大尺度的纳米力学问题时，有限元方法将会成为更加准确、快捷的数值模拟方法.     

单壁碳纳米管非线性力学行为的数值模拟

单壁碳纳米管的力学行为是纳米复合材料和纳米器械的基本问题之一.使用有限元方法系统地研究了单壁碳纳米管的轴压和纯弯变形,并将有限元模拟结果和分子动力学模拟结果进行了比较.研究结果表明单壁碳纳米管的轴压屈曲载荷受直径变化的影响;单壁碳纳米管在弯曲载荷作用下的屈曲和后屈曲行为强烈地依赖于管长和管径的变化,合理地选择碳纳米管的弹性模量和壁厚,有限元方法能够很好地解释碳纳米管的屈曲机理.研究大尺度的纳米力学问题时,有限元方法将会成为更加准确、快捷的数值模拟方法. 关键词： 单壁碳纳米管 非线性力学行为 有限元     

Mechanical properties of nickel-coated single-walled carbon nanotubes and their embedded gold matrix composites

The effects of nickel coating on the mechanical behaviors of armchair single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and their embedded gold matrix composites under axial tension are investigated using molecular dynamics (MD) simulation method. The results show that the Young's moduli and tensile strength of SWCNTs obviously decrease after nickel coating. For armchair SWCNTs, the decreased ratio of the Young's moduli of SWCNTs with smaller radius is larger than that of SWCNTs with larger radius. A comparison is made between the response to Young's modulus of a composite with parallel embedded nanotube and the response of a composite with vertically embedded nanotube. The results show that the uncoated SWCNT can enhance the Young's modulus of composite under the condition of parallel embedment, but such improvement disappears under the condition of vertical embedment because the interaction between SWCNT and gold matrix is too weak for effective load transfer. However, the nickel-coated SWCNT can indeed significantly improve the composite behavior.     

Manipulation and behavior modeling of one-dimensional nanomaterials on a structured surface

Different diameters of multiwall carbon nanotubes (CNTs) are manipulated by a cantilever tip of an atomic force microscope (AFM) to investigate the motion properties of one-dimensional nanomaterials on a structured surface. To describe the mechanical behaviors of this kind of samples, two mechanical models based on continuum mechanics are proposed. Through foreseeable manipulation procedures, we are able to position the tubes onto pre-etched micro trenches, and then measure their Young's moduli by the three-point bending method. Both string-like and beam-like deformation forms are observed on the tested samples. Additionally, we present a reparable ‘collapse’ phenomenon of the nanotube bridges.     

Structure and electronic properties of the double-wall nanotubes constructed from SiO2 nanotubes encapsulated inside zigzag carbon nanotubes

This paper presents ab initio self-consistent field crystal orbital calculations on the structures, stabilities, elastic and electronic properties of the double-wall nanotubes made of SiO(2) nanotubes encapsulated inside zigzag carbon nanotubes based on density functional theory. It is found that formation of the combined systems is energetically favorable when the nearest distance between the two constituents is in the area of the van der Waals effect. The obtained band structures show that all the combined systems are semiconductors with nonzero energy gaps. Based on the deformation potential theory and effective mass approximation, the mobilities of charge carriers are calculated to be in the range of 10(2)-10(4) cm(2) V(-1) s(-1), the same order of magnitude as those of the corresponding zigzag carbon nanotubes. The Young's moduli are also calculated for the combined systems.     

A Comprehensive Numerical Investigation on the Mechanical Properties of Hetero-Junction Carbon Nanotubes

A set of forty-three hetero-junction CNTs, made of forty-four homogeneous carbon nanotubes of different chiralities and configurations with all possible hetero-connection types, were numerically simulated, based on the finite element method in a commercial finite element software and their Young's and shear moduli, and critical buckling loads were obtained and evaluated under the tensile, torsional and buckling loads with an assumption of linear elastic deformation and also compared with each other. The comparison of the linear elastic behavior of hetero-junction CNTs and their corresponding fundamental tubes revealed that the size, type of the connection, and the bending angle in the structure of hetero-junction CNTs considerably influences the mechanical properties of these hetero-structures. It was also discovered that the Stone-Wales defect leads to lower elastic and torsional strength of hetero-junction CNTs when compared to homogeneous CNTs. However, the buckling strength of the hetero-junction CNTs was found to lie in the range of the buckling strength of their corresponding fundamental tubes. It was also determined that the shear modulus of hetero-junction carbon nanotubes generally tends to be closer to the shear modulus of their wider fundamental tubes while critical buckling loads of these heterostructures seem to be closer to critical buckling loads of their thinner fundamental tubes. The evaluation of the elastic properties of hetero-junction carbon nanotubes showed that among the hetero-junction models, those with armchair-armchair and zigzag-zigzag kinks have the highest elastic modulus while the models with armchair-zigzag connections show the lowest elastic stiffness. The results from torsion tests also revealed the fact that zigzag-zigzag and armchair-zigzag hetero-junction carbon nanotubes have the highest and the lowest shear modulus, respectively. Finally, it was observed that the highest critical buckling loads belong to armchair-armchair hetero-junction carbon nanotubes and the lowest buckling strength was found with the hetero-junction models with armchair-zigzag connection.