Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок
На основании квантово-химического расчета методом PM3 проведен теоретический анализ прочности одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Показано, что она зависит от однородности и характеристик связей в образующей группеатомов. Прочность УНТ уменьшается при возникновении различия в связях любой групп...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Наноструктурное материаловедение |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62660 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок / А.И. Герасимчук, Н. Мурафа, В.М. Огенко, Я. Шубрт // Наноструктурное материаловедение. — 2009. — № 3. — С. 47-57. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-62660 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-626602025-02-09T13:40:50Z Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок Герасимчук, А.И. Мурафа, Н. Огенко, В.М. Шубрт, Я. Фуллерены, нанотрубки и одномерные нанообъекты На основании квантово-химического расчета методом PM3 проведен теоретический анализ прочности одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Показано, что она зависит от однородности и характеристик связей в образующей группеатомов. Прочность УНТ уменьшается при возникновении различия в связях любой группы атомов углерода УНТ. Предложено оценивать прочность УНТ по величинам элементов силовой матрицы и, соответственно, колебательным спектрам УНТ, что значительно расширяет возможности исследования их свойств.Электронно-микроскопический анализ высокоэнергетического воздействия наУНТ показал, что изменения структуры УНТ можно разделить на общие и локальные. Общие воздействия на однородную многостенную УНТ приводят к разрыхлениюгруппы верхних слоев стенок УНТ и одновременному сжатию внутренних стенок, что способствует накоплению потенциальной энергии.При возникновении локальной неоднородности в верхних оболочках УНТ происходит самоорганизованный рост тубулярных структур (при достаточно малойскорости переноса), формирование Т-сопряжения УНТ разного диаметра или сплошных сфероидных углеродных наноструктур. На підставі квантово-хімічного розрахунку методом PM3 здійснено теоретичний аналіз міцності одностінних вуглецевих нанотрубок (ВНТ). Показано, що вона залежить від однорідності й характеристики зв’язків у твірній групіатомів. Міцність ВНТ зменшується при виникненнівідмінності у зв’язках будь-якої групи атомів вуглецю ВНТ.Запропоновано оцінювати міцність ВНТ за величинами елементів силової матриці та, відповідно, коливальнимспектрам ВНТ, що значно розширює можливості дослідження їхніх властивостей. Електронно-мікроскопічний аналіз високоенергетичноговпливу на ВНТ показав, що зміни структури ВНТ можна поділити на загальні й локальні.Загальний вплив на однорідну багатостінну ВНТ призводить до розпушення групи верхніх шарів стінок ВНТ та одночасного стиснення внутрішніх стінок, що спричиняє накопичення потенційної енергії.При виникненні локальної неоднорідності у верхніхоболонках ВНТ відбувається самоорганізоване зростання тубулярних структур (за достатньо малої швидкості перенесення), формування Т-сполучення ВНТ різного діаметра або суцільних сфероїдних вуглецевих наноструктур. Based on the quantum-chemical calculations by PM3 a theoretical analysis of the strength of single-wall carbon nanotubes (CNT) has been carried out. We show that it depends on the homogeneity and the characteristics of bonds in a forming group of atoms. The strength of NT decreases when a difference in bonding in any group of carbon atoms CNT arises. We propose to evaluate the strength of CNT in accordance with the values of the power matrix, and correspondingly vibrational spectra of NT, that significantly enhances the potential for study of their properties. Electron microscopic analysis of high-energy impact on the CNT has shown that changes in the structure of CNT can be divided into general and local. The general impact on homogeneous multi-wall CNT lead to loosening of the group of upper layers of the walls and the simultaneous contraction of NT internal walls that results in accumulation of potential energy. In the case of a local inhomogeneity in the upper shells of CNT self-growth of tubular structures (with a sufficiently low transfer speed), formation of T-coupling of CNT of different diameter, or forming of continuous spheroid carbon nanostructures takes place. 2009 Article Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок / А.И. Герасимчук, Н. Мурафа, В.М. Огенко, Я. Шубрт // Наноструктурное материаловедение. — 2009. — № 3. — С. 47-57. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1996-9988 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62660 538.9:548.4:539.3.8 ru Наноструктурное материаловедение application/pdf Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Фуллерены, нанотрубки и одномерные нанообъекты Фуллерены, нанотрубки и одномерные нанообъекты |
| spellingShingle |
Фуллерены, нанотрубки и одномерные нанообъекты Фуллерены, нанотрубки и одномерные нанообъекты Герасимчук, А.И. Мурафа, Н. Огенко, В.М. Шубрт, Я. Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок Наноструктурное материаловедение |
| description |
На основании квантово-химического расчета методом PM3 проведен теоретический анализ прочности одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Показано, что она зависит от однородности и характеристик связей в образующей группеатомов. Прочность УНТ уменьшается при возникновении различия в связях любой группы атомов углерода УНТ. Предложено оценивать прочность УНТ по величинам элементов силовой матрицы и, соответственно, колебательным спектрам УНТ, что значительно расширяет возможности исследования их свойств.Электронно-микроскопический анализ высокоэнергетического воздействия наУНТ показал, что изменения структуры УНТ можно разделить на общие и локальные. Общие воздействия на однородную многостенную УНТ приводят к разрыхлениюгруппы верхних слоев стенок УНТ и одновременному сжатию внутренних стенок, что способствует накоплению потенциальной энергии.При возникновении локальной неоднородности в верхних оболочках УНТ происходит самоорганизованный рост тубулярных структур (при достаточно малойскорости переноса), формирование Т-сопряжения УНТ разного диаметра или сплошных сфероидных углеродных наноструктур. |
| format |
Article |
| author |
Герасимчук, А.И. Мурафа, Н. Огенко, В.М. Шубрт, Я. |
| author_facet |
Герасимчук, А.И. Мурафа, Н. Огенко, В.М. Шубрт, Я. |
| author_sort |
Герасимчук, А.И. |
| title |
Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок |
| title_short |
Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок |
| title_full |
Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок |
| title_fullStr |
Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок |
| title_full_unstemmed |
Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок |
| title_sort |
деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Фуллерены, нанотрубки и одномерные нанообъекты |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62660 |
| citation_txt |
Деформационная и высокоэнергетическая деградации углеродных нанотрубок / А.И. Герасимчук, Н. Мурафа, В.М. Огенко, Я. Шубрт // Наноструктурное материаловедение. — 2009. — № 3. — С. 47-57. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Наноструктурное материаловедение |
| work_keys_str_mv |
AT gerasimčukai deformacionnaâivysokoénergetičeskaâdegradaciiuglerodnyhnanotrubok AT murafan deformacionnaâivysokoénergetičeskaâdegradaciiuglerodnyhnanotrubok AT ogenkovm deformacionnaâivysokoénergetičeskaâdegradaciiuglerodnyhnanotrubok AT šubrtâ deformacionnaâivysokoénergetičeskaâdegradaciiuglerodnyhnanotrubok |
| first_indexed |
2025-11-26T09:24:22Z |
| last_indexed |
2025-11-26T09:24:22Z |
| _version_ |
1849844371796525056 |
| fulltext |
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
47
М
АТ
ЕР
И
АЛ
О
ВЕ
Д
ЕН
И
ЕÀ.È. Ãåðàñèì÷óê1, Í. Ìóðàôà2, Â.Ì. Îãåíêî1, ß. Øóáðò2
1Èíñòèòóò îáùåé è íåîðãàíè÷åñêîé õèìèè èì. Â.È. Âåðíàäñêîãî ÍÀÍ Óêðàèíû
ã. Êèåâ, ïðîñï. Àêàäåìèêà Ïàëëàäèíà, 32/34, Óêðàèíà, 03680
2Èíñòèòóò íåîðãàíè÷åñêîé õèìèè ÀÍ ×åõèè
Rez near Prague, Czech Republic, 25068
ÄÅÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÀß
È ÂÛÑÎÊÎÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÀß ÄÅÃÐÀÄÀÖÈÈ
ÓÃËÅÐÎÄÍÛÕ ÍÀÍÎÒÐÓÁÎÊ
Íà îñíîâàíèè êâàíòîâî-õèìè÷åñêîãî ðàñ÷åòà ìåòîäîì PM3 ïðîâåäåí òåîðåòè-
÷åñêèé àíàëèç ïðî÷íîñòè îäíîñòåííûõ óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê (ÓÍÒ). Ïîêàçàíî,
÷òî îíà çàâèñèò îò îäíîðîäíîñòè è õàðàêòåðèñòèê ñâÿçåé â îáðàçóþùåé ãðóïïå
àòîìîâ. Ïðî÷íîñòü ÓÍÒ óìåíüøàåòñÿ ïðè âîçíèêíîâåíèè ðàçëè÷èÿ â ñâÿçÿõ ëþ-
áîé ãðóïïû àòîìîâ óãëåðîäà ÓÍÒ. Ïðåäëîæåíî îöåíèâàòü ïðî÷íîñòü ÓÍÒ ïî
âåëè÷èíàì ýëåìåíòîâ ñèëîâîé ìàòðèöû è, ñîîòâåòñòâåííî, êîëåáàòåëüíûì ñïåêò-
ðàì ÓÍÒ, ÷òî çíà÷èòåëüíî ðàñøèðÿåò âîçìîæíîñòè èññëåäîâàíèÿ èõ ñâîéñòâ.
Ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèé àíàëèç âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ íà
ÓÍÒ ïîêàçàë, ÷òî èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû ÓÍÒ ìîæíî ðàçäåëèòü íà îáùèå è ëî-
êàëüíûå.
Îáùèå âîçäåéñòâèÿ íà îäíîðîäíóþ ìíîãîñòåííóþ ÓÍÒ ïðèâîäÿò ê ðàçðûõëåíèþ
ãðóïïû âåðõíèõ ñëîåâ ñòåíîê ÓÍÒ è îäíîâðåìåííîìó ñæàòèþ âíóòðåííèõ ñòåíîê,
÷òî ñïîñîáñòâóåò íàêîïëåíèþ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè.
Ïðè âîçíèêíîâåíèè ëîêàëüíîé íåîäíîðîäíîñòè â âåðõíèõ îáîëî÷êàõ ÓÍÒ ïðîèñõî-
äèò ñàìîîðãàíèçîâàííûé ðîñò òóáóëÿðíûõ ñòðóêòóð (ïðè äîñòàòî÷íî ìàëîé
ñêîðîñòè ïåðåíîñà), ôîðìèðîâàíèå Ò-ñîïðÿæåíèÿ ÓÍÒ ðàçíîãî äèàìåòðà èëè
ñïëîøíûõ ñôåðîèäíûõ óãëåðîäíûõ íàíîñòðóêòóð.
Ââåäåíèå
Ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê (ÓÍÒ) â
êà÷åñòâå ðàçëè÷íûõ óñòðîéñòâ è ïðèáîðîâ íàíîìåòðîâîãî ìàñøòà-
áà âûäâèãàþò ïðîáëåìó èçó÷åíèÿ èçìåíåíèÿ èõ õàðàêòåðèñòèê ïðè
ðàçëè÷íûõ âíåøíèõ âîçäåéñòâèÿõ. Âîçìîæíîñòè ïðÿìîãî ýêñïåðè-
ìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ ñâîéñòâ ÓÍÒ îãðàíè÷åíû, ïîýòîìó âîç-
íèêàåò íåîáõîäèìîñòü êîìáèíèðîâàíèÿ ìåòîäîâ êâàíòîâîé õèìèè,
ìîëåêóëÿðíîé ìåõàíèêè, ìîëåêóëÿðíîé äèíàìèêè ñ ìåòîäàìè ýëåêò-
ðîííîé ìèêðîñêîïèè àòîìíîãî ðàçðåøåíèÿ.
Êàê è â ñëó÷àå äåôîðìàöèè ëþáîãî ìàòåðèàëà, äåôîðìàöèè ÓÍÒ
ìîãóò áûòü îáðàòèìûìè è íåîáðàòèìûìè, óïðóãèìè è íåóïðóãèìè.
Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ èçó÷åíèÿ ýòèõ ñâîéñòâ ñëåäóåò ñ äîñòàòî÷íîé
òî÷íîñòüþ îïðåäåëèòü çàâèñèìîñòü èçìåíåíèÿ ïîëíîé ýíåðãèè ñèñ-
òåìû ÓÍÒ Å îò äåôîðìàöèîííîé êîîðäèíàòû ε.
Îáùèé âèä òàêîé çàâèñèìîñòè ïðèâåäåí íà ðèñ. 1.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ìíîãîñòåííûå è
îäíîñòåííûå óãëåðîäíûå íàíîò-
ðóáêè, ýëåêòðîííàÿ ìèêðîñêîïèÿ,
ñòðóêòóðà, êâàíòîâî-õèìè÷åñêèé
ðàñ÷åò
ÓÄÊ 538.9:548.4:539.3.8
À.È. ÃÅÐÀÑÈÌ×ÓÊ, Í. ÌÓÐÀÔÀ,
Â.Ì. ÎÃÅÍÊÎ, ß. ØÓÁÐÒ, 2009
©
48
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
Êðèâàÿ çàâèñèìîñòè ïîëíîé ýíåðãèè îò êîîð-
äèíàòû äåôîðìàöèîííîãî ñìåùåíèÿ (áåçðàçìåð-
íîé âåëè÷èíû îòíîñèòåëüíîãî èçìåíåíèÿ ñîîòâåò-
ñòâóþùåé êîîðäèíàòû), à èìåííî ñìåùåíèÿ ñæà-
òèÿ è ðàñòÿæåíèÿ, óãëà êðó÷åíèÿ è èçãèáà è ò. ä.,
óñëîâíî ðàçäåëÿåòñÿ íà òðè îòðåçêà: ÎÀ — óïðó-
ãîé äåôîðìàöèè; AB — íåëèíåéíîé îáðàòèìîé
äåôîðìàöèè; BC — ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè.
Ìîäóëü Þíãà òàêîé ìîëåêóëÿðíîé ñèñòåìû
ìîæíî ôîðìàëüíî ïðåäñòàâèòü â âèäå èçâåñò-
íîé ôîðìóëû [1]:
(1)
ãäå — V0 = 2LpRdR îáúåì íåäåôîðìèðîâàííîé
ñòðóêòóðû,
L — äëèíà íàíîòðóáêè (ÓÍÒ);
R — ðàäèóñ ÓÍÒ;
δR — òîëùèíà ñòåíêè ÓÍÒ, êîòîðóþ îïðåäåëÿ-
þò ïî-ðàçíîìó èñõîäÿ èç àòîìíîãî äèàìåòðà óã-
ëåðîäà (0,066 íì), ìåæïëîñêîñòíûõ ðàññòîÿíèé
ãðàôèòîâîé ðåøåòêè è ïð.
Âî èçáåæàíèå íåîäíîçíà÷íîñòè â îöåíêå
ïðî÷íîñòè ÓÍÒ äëÿ ðàñ÷åòà ìîäóëÿ Þíãà â
ðàáîòå [2] ïðè ïðåíåáðåæåíèè êâàäðàòè÷íûìè
÷ëåíàìè ïî òîëùèíå ÓÍÒ áûëà ïðåäëîæåíà àëü-
òåðíàòèâíàÿ ôîðìóëà:
(2)
ãäå S0 = 2πLR.
Ôîðìóëà (2) íå ñîäåðæèò òîëùèíû ÓÍÒ, è, ïî
íàøåìó ìíåíèþ, ïðèãîäíà òàêæå äëÿ àíàëèçà ïðî÷-
íîñòè ìíîãîñòåííûõ ÓÍÒ. Òåîðåòè÷åñêàÿ îöåíêà
ïðî÷íîñòè ÓÍÒ ìåòîäàìè ìîëåêóëÿðíîé äèíàìè-
êè [3] è ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå ñ èñïîëüçî-
âàíèåì àòîìíîãî ñèëîâîãî ìèêðîñêîïà [4] ïîêà-
çàëè, ÷òî ÓÍÒ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé èñêëþ÷èòåëü-
íî ïðî÷íûå íàíîìàòåðèàëû ñ âåëè÷èíîé ìîäóëÿ
Þíãà ñæàòèÿ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ÒÏà.
Ïðåäñòàâëÿåò òàêæå èíòåðåñ (íàïðèìåð äëÿ
ñîçäàíèÿ íàíîìåõàíè÷åñêèõ èíæåêòîðîâ, äîçà-
òîðîâ) èññëåäîâàíèå íåëèíåéíûõ óïðóãèõ äåôîð-
ìàöèé ñ èçìåíåíèÿìè âî âíóòðåííåì îáúåìå ïðè
íåäîñòèæåíèè ýíåðãèåé âîçáóæäåíèÿ òî÷êè íå-
âîçâðàòà (òî÷êà  íà ðèñ. 1) è äàëüíåéøåé áåç-
ãèñòåðåçèñíîé ðåëàêñàöèè Â → À → Î, à òàêæå
èçìåíåíèÿ â ñòðîåíèè ÓÍÒ íà îòðåçêå Â → Ñ
êðèâîé íà ðèñ. 1.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå ðå÷ü èäåò
î âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîé äåãðàäàöèè ÓÍÒ, íå-
îáðàòèìûõ ïðåâðàùåíèÿõ â íèõ. Òàêèå ïðåâðà-
ùåíèÿ òðóäíî ñìîäåëèðîâàòü òåîðåòè÷åñêè,
îäíàêî ìîæíî, èñïîëüçóÿ ñîâðåìåííûå âîçìîæ-
íîñòè ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè àòîìíîãî ðàç-
ðåøåíèÿ è ðàçäåëüíîãî íàáëþäåíèÿ îòäåëüíûõ
àòîìîâ ïðèìåñåé ïî êîíòðàñòíîé ÿðêîñòè ýëå-
ìåíòîâ â ñîîòâåòñòâèè ñ èõ àòîìíûìè ìàññà-
ìè è òåîðåòè÷åñêèå îöåíêè äëÿ îäíîñòåííûõ
ÓÍÒ, èçó÷èòü ïðîöåññû âûñîêîýíåðãåòè÷åñêèõ
ïðåâðàùåíèé ÓÍÒ ñ öåëüþ ïðîãíîçèðîâàíèÿ èõ
ñâîéñòâ è âîçìîæíîãî èñïîëüçîâàíèÿ ïîëó÷àå-
ìûõ ïðîäóêòîâ äëÿ ñèíòåçà íîâûõ íàíîñòðóê-
òóð, à òàêæå âûïîëíåíèÿ êîððåêòíûõ òåîðåòè-
÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ñëîæíûõ ñèñòåì.
Òåîðåòè÷åñêèå ìîäåëè ýíåðãåòè÷åñêîé
äåôîðìàöèè îäíîñòåííûõ ÓÍÒ
Cîâðåìåííûå ïîëóýìïèðè÷åñêèå ìåòîäû ïîç-
âîëÿþò àäåêâàòíî îïèñûâàòü ãåîìåòðè÷åñêóþ
è ýëåêòðîííóþ ñòðóêòóðó ÓÍÒ. Ìîäåëèðîâàíèå
ïðîöåññîâ ðàçðóøåíèÿ óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê è
èõ êîíòàêòîâ ñóùåñòâåííî àêòèâèçèðîâàëîñü ñ ïî-
ÿâëåíèåì íîâåéøèõ ïàêåòîâ, âêëþ÷àþùèõ ïîëó-
ýìïèðè÷åñêèå ìåòîäû êâàíòîâî-õèìè÷åñêèõ ðàñ-
÷åòîâ, òàêèõ êàê ÌÎÐÀÑ2008.  ðàáîòå [5] ïðî-
èçâåäåíû ðàñ÷åòû ìåòîäàìè MNDO, AM1, PM3
è íîâûìè ïàðàìåòðè÷åñêèìè ìåòîäàìè PM6 [6],
RM1 [7]. Ðàññ÷èòûâàëèñü âåëè÷èíû äèàìåòðà
ÓÍÒ êðåñåëüíîãî òèïà (5,5), ýíåðãèè, ïðèõîäÿùåé-
ñÿ íà îäèí àòîì, êîýôôèöèåíòîâ Ïóàññîíà è ìî-
Ðèñ. 1. Îáùèé âèä çàâèñèìîñòè E(ε)
Å
Î
À
Â
Ñ
ε
ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ И ОДНОМЕРНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ
49
М
АТ
ЕР
И
АЛ
О
ВЕ
Д
ЕН
И
Е
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
äóëÿ Þíãà. Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ïðèâåëî àâòî-
ðîâ ðàáîòû [5] ê âûâîäó, ÷òî íàèáîëåå ïðèãîä-
íûì äëÿ çàäà÷ ýòîãî òèïà ÿâëÿåòñÿ ìåòîä ÐÌ3 [8].
Ñ ïîìîùüþ ýòîãî ìåòîäà ïîëó÷åíû âàæíûå
ðåçóëüòàòû ïî ñòðóêòóðå, ïðî÷íîñòè, óïðóãîñòè îä-
íîñòåííûõ íàíîòðóáîê êðåñåëüíîãî òèïà (n,n) è
òèïà “çèãçàã” (n, 0), ðàçëè÷íûõ âèäîâ ñîîñíûõ è
Ò-ñî÷ëåíåíèé ÓÍÒ. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîäòâåðæ-
äåíèå òåîðåòè÷åñêèõ ðåçóëüòàòîâ ïîêà íå ïîëó-
÷åíî, è ñðàâíèâàòü, íàïðèìåð, âåëè÷èíû ìîäóëÿ
Þíãà, ðàññ÷èòàííûå èç ôîðìóë (1, 2) è ýêñïåðè-
ìåíòàëüíûå, çàòðóäíèòåëüíî, ïîñêîëüêó ýêñïåðè-
ìåíòàëüíî ïîëó÷èòü ïîëíóþ ýíåðãèþ ÓÍÒ èëè
ýíåðãèþ, ïðèõîäÿùóþñÿ íà îäèí àòîì óãëåðîäà,
èñõîäÿ èç íàáëþäàåìûõ âåëè÷èí ïîêà ìåòîäè÷åñ-
êè íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì.
 ðàáîòå [5] ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû, ïîêàçû-
âàþùèå, ÷òî áîëåå ïðî÷íûìè, ÷åì òðóáêè îäíîãî
äèàìåòðà, ÿâëÿþòñÿ ñî÷ëåíåííûå òðóáêè îäíîãî
äèàìåòðà èëè ñî÷ëåíåíèÿ òðóáîê ðàçíîãî äèàìåòðà
ïî ñðàâíåíèþ ñ îòäåëüíûìè ôðàãìåíòàìè, à òàê-
æå ñìîäåëèðîâàí ðàçðûâ ñâÿçåé è ðàçðóøåíèå
òóáóëÿðíîé ñòðóêòóðû ÓÍÒ. Èññëåäîâàíû ñîîñ-
íûå ñîåäèíåíèÿ è Ò-ñî÷ëåíåíèÿ ÓÍÒ.  ýòîé ðà-
áîòå ïðåäïîëàãàåòñÿ ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå
ýíåðãèè âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ ïî âñåìó ìàññèâó
àòîìîâ ÓÍÒ. Èñõîäÿ èç öåëåé íàøåé ðàáîòû ìû
ðàññìàòðèâàåì ýòîò ðåçóëüòàò êàê îáðàòíóþ çà-
äà÷ó: ïðè âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîì ðàçðóøåíèè ÓÍÒ
êàê ïðîìåæóòî÷íûå ìîãóò âîçíèêàòü òóáóëÿðíûå
ñòðóêòóðû, ïîäîáíûå ñî÷ëåíåíèþ ÓÍÒ ðàçíîãî
äèàìåòðà, è Ò-ñòðóêòóðû.
Ïîïûòêè ñìîäåëèðîâàòü äåôîðìàöèè è íà-
õîæäåíèå ìåñòà ïðåäïîëàãàåìîãî ìàêñèìàëü-
íîãî ðàçðóøåíèÿ èëè âîçíèêíîâåíèÿ íàèáîëüøåé
íåðàâíîìåðíîñòè ñòðóêòóðíûõ åäèíèö ïðåäïðè-
íÿòû â ðàáîòàõ [9–11]. Òàê, ìîäåëèðîâàíèå
àòîìíîãî ìåõàíèçìà äåôîðìàöèè èçëîìà óãëå-
ðîäíûõ è áîð-àçîòíûõ íàíîòðóáîê â ïðîöåññå
èõ èçãèáà [9] ïîêàçàëî, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì óãëà
èçãèáà ïðîèñõîäèò ñóæåíèå ñðåäèííîé ÷àñòè ñ
äàëüíåéøèì ðàçðûâîì è “çàêðóãëåíèåì” ìåñ-
òà ðàçðûâà îáîèõ îáðàçîâàâøèõñÿ ôðàãìåíòîâ.
Ìîäåëèðîâàíèå ìåòîäîì ìîëåêóëÿðíîé äèíà-
ìèêè (ÌÄ) äåôîðìàöèè îäíîñëîéíîé íàíîòðóá-
êè ïðè òåìïåðàòóðå 1300 Ê [10] ïîêàçàëî, ÷òî
÷åðåç 500 ïñ ïðîèñõîäÿò äåôîðìàöèÿ è ðàçðûâ
ñâÿçåé â ñðåäèííîé ÷àñòè ðàññ÷èòûâàåìîé ÓÍÒ,
òîãäà êàê ñòðóêòóðà è äëèíû ñâÿçåé â äâóõ îáðà-
çîâàííûõ ôðàãìåíòàõ îñòàëèñü íåèçìåííûìè.
Èç ìîäåëèðîâàíèÿ ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè íàíî-
òðóáîê ïðè ñæàòèè è ñðàâíåíèÿ ðåçóëüòàòîâ ðàñ÷å-
òà ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè íà îñíîâå ñòåðæíåâîé ìî-
äåëè íàíîòðóáêè ñ ðàñ÷åòàìè ïî òåîðèè îáîëî÷åê
ñëåäóåò, ÷òî ñ óäëèíåíèåì íàíîòðóáêè êðèòè÷åñ-
êàÿ íàãðóçêà óìåíüøàåòñÿ. Îäíàêî óñòîé÷èâîñòü
ïîâûøàåòñÿ ñ óìåíüøåíèåì ðàäèóñà òðóáêè [11].
Ðàñ÷åò èçãèáà ìîäåëè îäíîñëîéíîé óãëåðîäíîé
íàíîòðóáêè ïîêàçàë, ÷òî çîíà èçãèáà íàõîäèòñÿ â
ñåðåäèíå ìîäåëè. Íàëè÷èå äåôåêòîâ â ìîäåëè,
ëþáàÿ àñèììåòðèÿ èëè õèðàëüíîñòü íàíîòðóáêè
ïðèâîäÿò ê íåñèììåòðè÷íîé äåôîðìàöèè. Ïîòåðÿ
óñòîé÷èâîñòè ïðè òàêîì èçãèáå ïðîèñõîäèò ñ îáðà-
çîâàíèåì íåñèììåòðè÷íîé ôîðìû.
Ïðèâåäåííûå âûøå ðàñ÷åòû ïðåäïîëàãàëè
íàëè÷èå â îäíîñòåííîé íàíîòðóáêå íåîäíî-
ðîäíîñòè, âîçíèêàþùåé â ðåçóëüòàòå âíåøíåãî
âîçäåéñòâèÿ (èçãèáà, êðó÷åíèÿ, ñòîëêíîâåíèÿ
âñòðå÷íûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ïîòîêîâ è ò. ä.).
 öåëîì ðÿäå ðàáîò ïî èññëåäîâàíèþ îäíîñòåí-
íûõ ÓÍÒ ìåòîäîì ìîëåêóëÿðíîé äèíàìèêè ãî-
âîðèòñÿ î òîì, ÷òî ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ îä-
íîðîäíûõ îäíîñòåííûõ ÓÍÒ äèàìåòðîì áîëåå
3,5 íì âûøå, ÷åì ýíåðãèÿ ñîñòîÿùåé èç òàêîãî
æå ÷èñëà àòîìîâ íàíîíèòè [13].  ðàáîòå [14]
òàêæå ìåòîäîì ÌÄ ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ñæàòèè
îäíîãî êîíöà ÓÍÒ ïðîèñõîäÿò âûñâîáîæäåíèå
ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè è ñàìîðàñïðîñòðàíÿþ-
ùååñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1 êì/ñ ñæàòèå íàíîòðóáêè
â ïðîäîëüíîì íàïðàâëåíèè. Ýòîò ýôôåêò íàçâàí,
ïî àíàëîãèè, ýôôåêòîì äîìèíî; îí èìååò áîëü-
øèå ïåðñïåêòèâû ïðè èñïîëüçîâàíèè â íàíîóñò-
ðîéñòâàõ (íàíîøïðèöàõ, íàíîïóøêàõ è äð.).
Íàëè÷èå òàêèõ ðàçíîðîäíûõ ðåçóëüòàòîâ
ÌÄ-ìîäåëèðîâàíèÿ âûçûâàåò íåîáõîäèìîñòü
èçó÷åíèÿ òðàíñôîðìàöèè îðáèòàëüíîãî ñîñòîÿ-
íèÿ, ãåîìåòðè÷åñêîé ñòðóêòóðû è èçìåíåíèÿ
êîëåáàòåëüíûõ ìîä ïðè âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîì
âîçäåéñòâèè íà ÓÍÒ.
Äëÿ ðåøåíèÿ ýòîé ïðîáëåìû àâòîðû, èñïîëü-
çóÿ ìåòîä ÐÌ3, ïðîâåëè êâàíòîâîõèìè÷åñêèé ðàñ-
÷åò ÓÍÒ C84H24 è C168H24 (ñ ãèäðèðîâàííûìè êîí-
öåâûìè àòîìàìè, ÷òîáû èçáåæàòü “îáîðâàííûõ”
îðáèòàëåé). Ðàñ÷åò ïîêàçàë, ÷òî â íåäåôîðìèðî-
50
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
âàííûõ ÓÍÒ (òî÷êà 0 íà ðèñ. 1) ñðåäíÿÿ ýíåðãèÿ,
ïðèõîäÿùàÿñÿ íà îäèí àòîì, ñðåäíÿÿ ýíåðãèÿ è
äëèíà ñâÿçè Ñ—Ñ áëèçêè äëÿ C84H24 è C168H24.
Ðàäèóñ ÓÍÒ íå ñîâïàäàåò ñ ìåæàòîìíûì, à
îòëè÷àåòñÿ íà âåëè÷èíó π — ðàäèóñ îðáèòàëüíîé
äåëîêàëèçàöèè, îïðåäåëÿþùåé âíóòðåííþþ è âíåø-
íþþ ãðàíèöó ñëîÿ ÓÍÒ. Ýòà âåëè÷èíà îöåíèâàåò-
ñÿ èç ðàñ÷åòà è îïðåäåëÿåò òîëùèíó ñòåíêè ÓÍÒ
lR. Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíà ðàñ÷åòíàÿ ãåîìåòðèÿ ÓÍÒ
C168H24. ñ π-îðáèòàëüíûì îáëàêîì.
Òîëùèíà ñòåíêè â îáîèõ ñëó÷àÿõ ðàâíà 0,0706
è 0,0715 íì. Àòîìû óãëåðîäà ðàñïîëàãàþòñÿ
âíóòðè ñòåíêè ÓÍÒ. Ìîæíî ïðåäñòàâèòü ÓÍÒ
êàê ñáîðêó èç ïðàâèëüíûõ ïðèçì ñî ñòîðîíîé
îñíîâàíèÿ, ðàâíîé äëèíå ñâÿçè Ñ—Ñ, è âûñî-
òîé δR. Ïëîùàäü áîêîâîé ïîâåðõíîñòè ÓÍÒ (S0=
= 2πLR) çàïîëíÿåòñÿ êîëè÷åñòâîì N6 = [4πLR/
/(33/2lC—C
2)] òàêèõ ïðèçì. Â ÓÍÒ òèïà “çèãçàã”
ïî äëèíå äîëæíî ïîìåñòèòüñÿ ÊL = [L/(31/2lC—C)]
øåñòèãðàííèêîâ, êîëè÷åñòâî ðÿäîâ â öèëèí-
äðå ÓÍÒ îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì: KR =
= [1/arcsin(4πR/(3lC—C))]. Äëÿ ÓÍÒ êðåñëîâèä-
íîãî òèïà ÊL = [L/(3lC—C)], à KR = [1/arcsin(4πR/
/(31/2lC—C))].  îáîèõ ñëó÷àÿõ ïðè R >> lC—C ïðî-
èçâåäåíèå ÊLKR = N6. Íåòðóäíî ïîäñ÷èòàòü, ÷òî
êîëè÷åñòâî àòîìîâ óãëåðîäà â ÓÍÒ ðàâíî óä-
âîåííîìó ïðîèçâåäåíèþ ÊLKR.
Ïîëó÷åííóþ èç ðàñ÷åòà ÓÍÒ âåëè÷èíó ïîë-
íîé ýíåðãèè íåîáõîäèìî ðàçäåëèòü íà êîëè÷å-
ñòâî àòîìîâ óãëåðîäà, ó÷èòûâàåìûõ â ðàñ÷åò-
íîé ìîäåëè, ÷òîáû ïîëó÷èòü ýíåðãèþ, ïðèõîäÿ-
ùóþñÿ íà îäèí àòîì. Ïðè KR > 10 NC = 2N6 (â
íàøåì ñëó÷àå èç ðàñ÷åòíîé ïîëíîé ýíåðãèè íå-
îáõîäèìî âû÷åñòü 24 çíà÷åíèÿ ýíåðãèè ñâÿçè
ÑÍ). Ïîñêîëüêó, çà èñêëþ÷åíèåì êîíöåâûõ àòî-
ìîâ, ÷èñëî ñîñåäíèõ àòîìîâ óãëåðîäà ðàâíî
òðåì, òî îáùåå êîëè÷åñòâî ñâÿçåé Ñ—Ñ â ÓÍÒ
ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíûì 3(ÊL–2)KR.
Äëÿ ðàñ÷åòà ìîäóëÿ Þíãà ïî ôîðìóëàì (1,
2) èñïîëüçîâàëè ïðîìåæóòî÷íûå äàííûå ïî îï-
Òàáëèöà 1. Íåêîòîðûå ðàñ÷åòíûå õàðàêòåðèñòèêè óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê Ñ84Í24 è Ñ168Í24
òèìèçàöèè ãåîìåòðèè — âåëè÷èí ïîëíîé ýíåð-
ãèè è ãðàäèåíòîâ äî äîñòèæåíèÿ îïòèìèçàöèè.
Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà ïðèâåäåíû â òàáë. 1.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû õîðîøî ñîãëàñóþò-
ñÿ ñ ðàñ÷åòàìè òîíêîñòåííûõ íàíîòðóáîê ìå-
òîäàìè ìîëåêóëÿðíîé äèíàìèêè [5–9], îäíàêî
ïðîáëåìà ñîñòîèò â òîì, ÷òî îöåíêà ïðî÷íîñòè
îñíîâûâàåòñÿ íà èñïîëüçîâàíèè èñêëþ÷èòåëü-
íî ðàñ÷åòíûõ, à íå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ âåëè÷èí.
Íà îñíîâå ðàñ÷åòíûõ õàðàêòåðèñòèê ýëåêò-
ðîííîãî è ãåîìåòðè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ ñîâðåìåí-
íûå êâàíòîâî-õèìè÷åñêèå ïðîãðàììû ïðîèçâî-
äÿò âû÷èñëåíèå ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ êîëåáàòåëü-
íûõ è âðàùàòåëüíûõ ñïåêòðîâ èñõîäÿ èç
ïîñòðîåíèÿ ñèëîâîé ìàòðèöû. Èñïîëüçóÿ ýëåìåí-
òû ñèëîâîé ìàòðèöû, ëåãêî îöåíèòü ïðî÷íîñòü
íàíîñèñòåìû. Ìîäóëü Þíãà ìàññèâà ñîñòàâëÿ-
þùèõ ñèñòåìû èñ÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå:
ãäå l — ðàçìåð îáðàçóþùåãî ýëåìåíòà âäîëü êî-
îðäèíàòû äåôîðìàöèè, k³
ε — ýëåìåíòû ñèëîâîé
ìàòðèöû, v0 — íîðìàëüíàÿ ìîäà êîëåáàíèé Ñ—Ñ.
Äëÿ ñëó÷àÿ îäíîñòåííûõ íàíîòðóáîê ýëåìåí-
òû ýòîé ìàòðèöû ïîçâîëÿþò îöåíèòü êîìïîíåíòû
“ïðîäîëüíîãî” ñèëîâîãî ïîëÿ îáðàçóþùåãîñÿ øå-
УÍТ Еàтîì С,
Дж/мîëü (àòîм)
Еñâÿзь С—О,
Дж/мîëü (ñâяçü) R, íм Ìîäóëü Юíãà, ТПà
C84H24 704,2109652 50,40679763 0,0706 8,648
C168H24 678,1890077 44,95810117 0,0715 8,375
δδδδδ
Ðèñ. 2. Îïòèìèçèðîâàííàÿ ãåîìåòðèÿ ÓÍÒ òèïà
“çèãçàã” C168H24
0
ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ И ОДНОМЕРНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ
51
М
АТ
ЕР
И
АЛ
О
ВЕ
Д
ЕН
И
Е
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
ñòèãðàííèêà è ïðèâåäåííîãî âûøå äèñêðåòíî-ìà-
òåìàòè÷åñêîãî ñîîòíîøåíèÿ ÊLKR = N6, ïðîèçâîëü-
íóþ ñîñòàâëÿþùóþ ñèëîâûõ ñìåùåíèé íàíîòðóá-
êè. Ïðè ñóììèðîâàíèè ñèëîâûõ ïîñòîÿííûõ â èäå-
àëüíûõ îäíîðîäíûõ ÓÍÒ ýòè âåëè÷èíû â
÷èñëèòåëå è çíàìåíàòåëå ñîêðàùàþòñÿ.
Ðàñ÷åòíûå âåëè÷èíû ìîäóëÿ Þíãà äëÿ ÓÍÒ
C84H24 è C168H24 ðàâíû ñîîòâåòñòâåííî
9,44287E+12 è 7,91434E+12 Ïà.
Ñîâåðøåííî î÷åâèäíîé â ñâÿçè ñ ýòèì ïðåä-
ñòàâëÿåòñÿ ñâÿçü õàðàêòåðèñòèê ïðî÷íîñòè
ÓÍÒ ñ âèäîì èõ ÈÊ-ñïåêòðîâ.
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ðàñ÷åòíûå ÈÊ-ñïåêò-
ðû. Íà îñè îðäèíàò — îòíîñèòåëüíûå åäèíèöû
èíòåíñèâíîñòè êîëåáàíèé; íà îñè àáñöèññ — ÷àñ-
òîòà âàëåíòíûõ êîëåáàíèé.
Ðàñ÷åòíûå ÈÊ-ñïåêòðû C84H24 è C168H24
ïðàêòè÷åñêè íå îòëè÷àþòñÿ, êàê è èõ ïðî÷íîñò-
íûå õàðàêòåðèñòèêè.
Êâàíòîâî-õèìè÷åñêîå èññëåäîâàíèå îäíî-
ñòåííîé íàíîòðóáêè C84H24 ìåòîäîì PM3 ïîêà-
çàëî, ÷òî ïðè âîçäåéñòâèè íà ÓÍÒ ñèëîâîãî ïîëÿ
ýíåðãèåé 480 êêàë/ìîëü ïðîèñõîäèò åå ïîïåðå÷-
íàÿ äåôîðìàöèÿ (ñïëþùèâàíèå). Íà ðèñ. 4 ïðè-
âåäåíû èçìåíåíèå ôîðìû ÓÍÒ ïðè âûñîêîýíåð-
ãåòè÷åñêîì ïîïåðå÷íî íàïðàâëåííîì âîçäåéñòâèè
è èçìåíåíèå âåðõíåé çàïîëíåííîé ìîëåêóëÿðíîé
îðáèòàëè (ÂÇÌÎ) ïðè òàêîé äåôîðìàöèè.
ÂÇÌÎ ñïëþùåííîé ÓÍÒ ôàêòè÷åñêè ïðåä-
ñòàâëÿåò ñîáîé äâóëèñòíóþ ïîâåðõíîñòü; ëèíèÿ
ðàçäåëà ïî áîêàì ñïëþùåííîé ïîâåðõíîñòè ìàê-
ñèìàëüíî îñëàáëåíà. Îáðàçóþùèå ãðàôåíîâûå
ýëåìåíòû â ýòîì ñëó÷àå ìàêñèìàëüíî äåôîðìè-
ðîâàíû. Àòîìû óãëåðîäà íàíîòðóáêè ïðè òàêîé
äåôîðìàöèè äåëÿòñÿ íà òðè âèäà: ñðåäèííûå àòî-
ìû, â êîòîðûõ äåôîðìàöèÿ îáðàçóþùèõ ìèíèìàëü-
íà, êîíöåâûå àòîìû è àòîìû ìàêñèìàëüíî äåôîð-
ìèðîâàííîé îáðàçóþùåé. Ðàñ÷åòíûé ÈÊ-ñïåêòð
íàãëÿäíî ïîêàçûâàåò òàêîå èçìåíåíèå (ðèñ. 5).
Ïîëîñà êîëåáàíèé ñâÿçè Ñ—Ñ ÿâíî äåëèòñÿ
íà íåñêîëüêî ïîëîñ, è ñóììàðíàÿ õàðàêòåðèñ-
òèêà ïðî÷íîñòè óìåíüøàåòñÿ.
Òàêèì îáðàçîì, ýíåðãåòè÷åñêîå âîçäåéñòâèå íà
ÓÍÒ ïðèâîäèò ê íåðàâíîìåðíîìó èçìåíåíèþ äëèí
ñâÿçè è òåì ñàìûì èñêàæàåò ãåîìåòðè÷åñêóþ
ôîðìó ÓÍÒ, èçìåíÿåò ñèëîâîå ïîëå, êîëåáàòåëü-
íûå ìîäû è ïðè óâåëè÷åíèè ñèëû âíåøíåãî âîç-
äåéñòâèÿ ìîæåò ïðèâåñòè ê ïåðåãðóïïèðîâêå è
ðàçðûâó ñâÿçåé ñ îáðàçîâàíèåì íîâûõ ôîðì.
 ñëó÷àå ìíîãîñòåííûõ íàíîòðóáîê àíàëèç
ïðî÷íîñòè íå äîëæåí ñóùåñòâåííî îòëè÷àòüñÿ.
Ïðèíöèï àíàëèçà îñòàåòñÿ íåèçìåííûì, òîëüêî
â ðàññìàòðèâàåìûé ìàññèâ äîáàâëÿþòñÿ ìåæ-
äóñòåíî÷íûå ñâÿçè, èç-çà ÷åãî âåëè÷èíû èçìå-
íÿþòñÿ íå ïî àääèòèâíîìó çàêîíó. Íî èñõîäÿ èç
îäíèõ òîëüêî ðàñ÷åòíûõ ìîäåëåé òðóäíî çàðà-
Ðèñ. 3. Ðàñ÷åòíûå ÈÊ-ñïåêòðû ÓÍÒ C84H24 (ñëåâà) è C168H24 (ñïðàâà)
cì-1
Ðèñ. 4. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ è îðáèòàëüíàÿ (ÂÇÌÎ)
òðàíñôîðìàöèè ïðè ñïëþùèâàíèè ÓÍÒ C84H24
52
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
íåå ïðåäïîëîæèòü, êàêèì îáðàçîì áóäóò ñåáÿ
âåñòè ìíîãîñòåííûå ÓÍÒ ïðè âûñîêîýíåðãåòè-
÷åñêîì âîçäåéñòâèè. Âîçìîæíà òîëüêî èíòåð-
ïðåòàöèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ íà
îñíîâå ðàñ÷åòíûõ ìîäåëåé.
Ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèé àíàëèç
äåôîðìàöèè è âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîé
äåãðàäàöèè ÓÍÒ
Î âîçìîæíîñòè íåïîñðåäñòâåííîãî íàáëþäå-
íèÿ ðîñòà îäíîñòåííûõ óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê
âíóòðè ìíîãîñòåííûõ ñ ó÷àñòèåì ïîâåðõíîñòè
êàòàëèçàòîðà ïðè âîçäåéñòâèè çîíäèðóþùåãî
ïó÷êà ýëåêòðîíîâ ìèêðîñêîïà ñîîáùåíî â ðàáî-
òå [12]. Íàìè íàáëþäàëàñü äåãðàäàöèÿ ìíîãî-
ñòåííûõ óãëåðîäíûõ òðóáîê â ïðîöåññå èõ èñ-
ñëåäîâàíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì òðàíñìèññèîííî-
ãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà “Jeol-3010” ïðè
óñêîðÿþùåì íàïðÿæåíèè 300 ê è òîêå ïó÷êà
107 ìêÀ. Êàê âèäíî èç ðèñ. 6, çà íåñêîëüêî ìèíóò
îáëó÷åíèÿ ýëåêòðîíàìè çîíäèðóþùåãî ïó÷êà
íàðóæíûé äèàìåòð òðóáîê (ñîäåðæàùèõ áîëåå
17 ñëîåâ) óâåëè÷èëñÿ íà 8 íì, à âíóòðåííèé äèà-
ìåòð óìåíüøèëñÿ íà 3,7 íì. Êàê ñëåäóåò èç íà-
øèõ íàáëþäåíèé, íàðóæíûå ñëîè òðóáîê ïåðâû-
ìè ïðåòåðïåâàþò äåñòðóêòèâíûå èçìåíåíèÿ. Íà
ãðàíèöå ðàçäåëà ïîâåðõíîñòíûå ôðàãìåíòû ìíî-
ãîñëîéíîé òðóáêè ðàçðóøàþòñÿ íà îòäåëüíûå
ôðàãìåíòû äèàìåòðîì 0,6–0,8 íì, êîòîðûå ñòðå-
ìÿòñÿ ðåîðãàíèçîâàòüñÿ èç ëèíåéíûõ ñòðóêòóð â
èçîãíóòûå êîëüöåîáðàçíûå, ëàáèðèíòíûå ôîðìû
çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ è ñîåäèíåíèÿ ñ äåñòðóê-
òèâíûìè ôðàãìåíòàìè ñîñåäíåé òðóáêè. Ýòî, ïî-
âèäèìîìó, ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîé óâåëè÷åíèÿ èõ äè-
àìåòðà è èñ÷åçíîâåíèÿ ÷åòêî ðàçäåëåííûõ ìåæ-
ñëîåâûõ ãðàíèö èñõîäíîé òðóáêè.
Àíàëîãè÷íûå èçìåíåíèÿ ïðîèñõîäÿò è ñ çà-
êðûòîé íà êîíöå õàðàêòåðíîé øàïêîé 11-ñòåí-
íîé íàíîòðóáêîé, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 7.
×àñòü òðóáêè ðàñïîëîæåíà íà ïîâåðõíîñòè
àìîðôíîé óãëåðîäíîé ïîäëîæêè ñòàíäàðòíîãî
äåðæàòåëÿ îáðàçöîâ (SPI → USA). Êàê ñëåäó-
åò èç ïîëó÷åííûõ äàííûõ, äèàìåòð çàíèìàå-
ìîãî îáîëî÷êàìè òðóáêè ïðîñòðàíñòâà óâåëè-
÷èëñÿ â ~2 ðàçà.
Íà ðèñ. 8 ïðèâåäåíû ôðàãìåíòû óãëåðîäíîé
ìíîãîñëîéíîé òðóáêè, ðàñïîëîæåííîé íà àìîð-
ôíîé óãëåðîäíîé ïîäëîæêå äåðæàòåëÿ îáðàçöîâ,
â èñõîäíîì âèäå è ïîñëå äëèòåëüíîãî âîçäåé-
ñòâèÿ ýëåêòðîííîãî ïó÷êà ìèêðîñêîïà. Òàê êàê
îòäåëüíûå ÷àñòè î÷èùåííûõ ìíîãîñëîéíûõ
òðóáîê âûãëÿäåëè íåîäíîðîäíî (êàê îñòàòêè êà-
òàëèçàòîðà), â òî÷êàõ, îáîçíà÷åííûõ íà ðèñ. 8à,
ïðîâåäåí ýëåìåíòíûé àíàëèç, ðåçóëüòàòû êîòî-
ðîãî ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 2 è 3.
Êàê ñëåäóåò èç àíàëèçà, êàòàëèçàòîðû (Fe,
Ni) â óêàçàííûõ òî÷êàõ íå îáíàðóæåíû è îñ-
íîâíûì îáðàçóþùèì ýëåìåíòîì òðóáîê ÿâëÿ-
åòñÿ óãëåðîä. Íàëè÷èå ìåäè è äðóãèõ ýëåìåí-
òîâ ìû ñâÿçûâàåì ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåäíîé
ñåòî÷êè äåðæàòåëÿ îáðàçöîâ, íà ïîâåðõíîñòü
êîòîðîé íàíåñåíà àìîðôíàÿ ïëåíêà óãëåðî-
äà (SPI supplies).
Êàê âèäíî èç ðèñ. 8, â ïðîöåññå âûñîêîýíåðãå-
òè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ ïó÷êà ýëåêòðîíîâ íàáëþ-
äàåòñÿ ïåðåíîñ ìàññû óãëåðîäà êàê ñàìèõ òðó-
áîê, òàê è àìîðôíîé ïîäëîæêè. Õàðàêòåðíî, ÷òî
êîíöû òðóáîê, êîíòàêòèðóþùèå ñ óãëåðîäíîé ïîä-
ëîæêîé, ñóùåñòâåííî óòîëùàþòñÿ, íî âíóòðè
òðóáîê âñå æå îñòàåòñÿ íåçàïîëíåííàÿ ïîëîñòü.
Íà ðèñ. 9 ïðèâåäåíû ôðàãìåíòû óãëåðîäíûõ
ñòðóêòóð â âèäå õàðàêòåðíûõ âûñòóïîâ, ìåàíä-
ðîâ, ñïèðàëåé, ïðåòåðïåâàþùèõ äåñòðóêòèâíûå
èçìåíåíèÿ â ïðîöåññå âçàèìîäåéñòâèÿ òðóáîê ñ
ýëåêòðîííûì çîíäèðóþùèì ïó÷êîì ìèêðîñêîïà.
Àíàëèç ïîëó÷åííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ
ðåçóëüòàòîâ
Èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû ÓÍÒ, íàáëþäàåìûå
ïðè âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîì âîçäåéñòâèè, ìîæ-
íî îòíåñòè ê îáùèì (ðèñ. 6, 7) è ëîêàëüíûì
(ðèñ. 8, 9).
Ðèñ. 5. Ðàñ÷åòíûé ÈÊ-ñïåêòð ñïëþùåííîé ÓÍÒ C84H24
cì-1
ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ И ОДНОМЕРНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ
53
М
АТ
ЕР
И
АЛ
О
ВЕ
Д
ЕН
И
Е
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
Îáùèå âîçäåéñòâèÿ ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëå-
íû ïî äëèíå ÓÍÒ, ñîîòâåòñòâóþò îáëàñòè ÎÀ
(ðèñ. 1) è ïðîÿâëÿþòñÿ îäèíàêîâûì èçìåíåíè-
åì ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ïî âñåé äëèíå
ðàâíîìåðíûõ ó÷àñòêîâ ÓÍÒ. Íà ðèñ. 6 âèäíî,
÷òî ïåðâîíà÷àëüíî îäíîðîäíàÿ ìíîãîñòåííàÿ
ÓÍÒ ñ âíóòðåííèì äèàìåòðîì 6,33 íì è âíåø-
íèì 20,05 íì (ðèñ. 6à) ïîä äåéñòâèåì âîçáóæ-
äåíèÿ ïåðåõîäèò â ÓÍÒ ñ óïëîòíåííûì ðàñïî-
ëîæåíèåì âíóòðåííèõ ñòåíîê è áîëåå óäàëåí-
Ðèñ. 7. Äåãðàäàöèÿ 11-ñëîéíîé óãëåðîäíîé òðóáêè; êîëüöîì î÷åð÷åíà çîíà, â ïðåäåëàõ êîòîðîé îïðåäåëåíî
ìåæñëîåâîå ðàññòîÿíèå (d) ìåæäó òðóáêàìè
à á
Ðèñ. 6. Èçìåíåíèå èçîáðàæåíèÿ ìíîãîñòåííûõ óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê â ïðîöåññå èõ èññëåäîâàíèÿ ïîä
ýëåêòðîííûì ïó÷êîì ìèêðîñêîïà: à — èñõîäíîå èçîáðàæåíèå, á — ïîñëå îáëó÷åíèÿ
à á
54
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
Òàáëèöà 2. Êîíöåíòðàöèÿ ýëåìåíòîâ â òî÷êå Spectrum-1 (ðèñ. 8à)
Òàáëèöà 3. Êîíöåíòðàöèÿ ýëåìåíòîâ â òî÷êå Spectrum-2 (ðèñ. 8à)
Ðèñ. 8. Âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîå âîçäåéñòâèå ïó÷êà ýëåêòðîíîâ íà áàìáóêîïîäîáíûå ìíîãîñòåííûå òðóáêè
íûìè îäíà îò äðóãîé âíåøíèìè ñòåíêàìè — ñ
âíóòðåííèì äèàìåòðîì 2,597 íì, âíåøíèì —
28,301 íì (ðèñ. 6á). Î÷åâèäíî, ÷òî ðàçðûõëå-
íèå âíåøíèõ è óïëîòíåíèå âíóòðåííèõ ñòåíîê
ÓÍÒ ÿâëÿþòñÿ ñëåäñòâèåì åäèíîãî ìåõàíèç-
ìà âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ.
Óâåëè÷åíèå äèàìåòðà, õàðàêòåðíîå äëÿ âíåø-
íèõ ñòåíîê ìíîãîñòåííîé ÓÍÒ, âïîëíå ñîîò-
âåòñòâóåò, ñîãëàñíî ôîðìóëå (3), ðàñ÷åòíîé
êâàíòîâî-õèìè÷åñêîé è ìîëåêóëÿðíî-äèíàìè-
÷åñêîé ìîäåëè îäíîñòåííîé ÓÍÒ. Îíî îòâå÷à-
åò óâåëè÷åíèþ äëèíû è îñëàáëåíèþ ñâÿçåé Ñ—Ñ
ïî âñåé ÓÍÒ. Ñîãëàñíî ïðåäïîëîæåíèþ, ÷òî
èñõîäíàÿ äëèíà ñâÿçè Ñ—Ñ ðàâíà 0,141 íì,
ïî ñîîòíîøåíèþ èñõîäíîãî è ðåçóëüòèðóþùå-
ãî äèàìåòðîâ âíåøíèõ òðóáîê ìîæíî âû÷èñ-
ëèòü äëèíó ñâÿçåé íà âíåøíåé ñòåíêå â ðå-
çóëüòàòå âûñîêîýíåðãåòè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ:
à á
ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ И ОДНОМЕРНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ
55
М
АТ
ЕР
И
АЛ
О
ВЕ
Д
ЕН
И
Е
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
lC—C = 0,1987 íì. Ïðî÷íîñòü âíåøíåé ñòåíêè ïî
ôîðìóëå (3) ñóùåñòâåííî óìåíüøàåòñÿ.
Äëÿ ñàìûõ îòäàëåííûõ âíóòðåííèõ ÓÍÒ ãðà-
íèöà ïîëîñòè, íàîáîðîò, ñæèìàåòñÿ. Ïî ñîîòíîøå-
íèþ äèàìåòðîâ äëÿ ãðàíè÷íîé âíóòðåííåé ñòåíêè
lC—C = 0,057 íì. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ãðóïïà âíóòðåí-
íèõ ñòåíîê ÓÍÒ íàõîäèòñÿ â íàïðÿæåííîì ñîñòîÿ-
íèè, ñîîòâåòñòâóþùåì ðàâíîìåðíîìó (“áàíäàæíî-
ìó”) îáæàòèþ â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè. Ïðî÷-
íîñòü òàêîé ñèñòåìû â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (3)
âåëèêà, è ãðóïïà âíóòðåííèõ ñòåíîê ÿâëÿåòñÿ àêêó-
ìóëÿòîðîì ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè.
Ðåëàêñàöèÿ èäåàëüíîé ìíîãîñòåííîé ÓÍÒ äîëæ-
íà ïðèâåñòè âñå ïàðàìåòðû â èñõîäíîå ñîñòîÿ-
íèå. Ýòî ñïðàâåäëèâî äëÿ îáùåãî âîçáóæäåíèÿ â
ÓÍÒ ñ áîëüøèì ÷èñëîì ñòåíîê. Ïðè íåáîëüøîì
÷èñëå ñòåíîê èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ ÓÍÒ ïîñëå
ðåëàêñàöèè ìîãóò ñîõðàíÿòüñÿ (ðèñ. 7).
Åñëè ÓÍÒ èìååò íåîäíîðîäíîñòè, òî îáùåå
âîçáóæäåíèå è íàêîïëåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåð-
Ðèñ. 9. Âèäû îáðàìëÿþùèõ óãëåðîäíûõ ñòðóêòóð è ìíîãîñòåííûõ òðóáîê â ïîëå èçëó÷åíèÿ ýëåêòðîíîâ
ìèêðîñêîïà: à) ôðàãìåíò òðóáêè â ïðîöåññå ðàçóïîðÿäî÷åíèÿ (áåëûìè ëèíèÿìè óêàçàíû õàðàêòåðíûå äëèíû
ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ è ìåæïëîñêîñòíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó ñëîÿìè); á) äâå òðóáêè ñ ðàçóïîðÿäî÷åííîé íàðóæíîé
ñòðóêòóðîé; â) ïîëíîå ðàçóïîðÿäî÷åíèå âíóòðåííåé òðóá÷àòîé ñòðóêòóðû; ã) ôðàãìåíò îáðàìëåíèÿ ñî÷ëåíåíèÿ
è ïëîñêîé ïîâåðõíîñòè
à á
â ã
56
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
ãèè ïî îïèñàííîìó âûøå ìåõàíèçìó ïðè äîñòè-
æåíèè îïðåäåëåííîãî ïîðîãà ïðèâîäèò ê âûñâî-
áîæäåíèþ ýòîé ýíåðãèè â âèäå ìàòåðèàëüíîãî
ïåðåíîñà â îáëàñòÿõ, ãäå îäíîðîäíîñòü ÓÍÒ íà-
ðóøàåòñÿ. Òàêàÿ êàðòèíà íàáëþäàåòñÿ äëÿ áàì-
áóêîïîäîáíûõ ÓÍÒ â ìåñòàõ ïåðåãîðîäîê.
Íà ðèñ. 8 ïîêàçàíî îáðàçîâàíèå ñôåðîèäíûõ
ñïëîøíûõ íàíîñòðóêòóð â îáëàñòè ïåðåãîðîäîê,
òîãäà êàê ñòðóêòóðà îäíîðîäíûõ ó÷àñòêîâ îñòà-
åòñÿ ïî÷òè íåèçìåííîé.
 îäíîðîäíîé ÓÍÒ, êàê âèäíî èç äàííûõ ýëåêò-
ðîííîé ìèêðîñêîïèè âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ, ïðè
äîñòàòî÷íî âûñîêèõ ýíåðãèÿõ (ó÷àñòîê À íà
ðèñ. 1) âîçíèêàþò ëîêàëüíûå èñêàæåíèÿ, îòêëî-
íåíèÿ îò òóáóëÿðíîñòè (ðèñ. 9).  ýòîì ñëó÷àå
ïðè äîñòèæåíèè îïðåäåëåííîãî ïîðîãà âîçáóæ-
äåíèÿ ïðîèñõîäÿò ðàçðûâ îäíîé èëè íåñêîëüêèõ
ñâÿçåé è ðàçðóøåíèå îäíîé èëè íåñêîëüêèõ ñòðóê-
òóðíûõ ÿ÷ååê. Òîãäà ñëåäóþùàÿ, âíóòðåííÿÿ
ñòåíêà ñòàíîâèòñÿ íà ýòîì ó÷àñòêå âíåøíåé è
ïðîèñõîäèò ïåðåíîñ âåùåñòâà íà âíåøíþþ ñòåí-
êó. Òàêèì îáðàçîì, îñóùåñòâëÿþòñÿ ýâîëþöèÿ
ëîêàëüíîé äåôîðìàöèè â çàâèñèìîñòè îò âðåìå-
íè âîçáóæäåíèÿ â âèäå âûñòóïîâ, èçãèáîâ, ìåàí-
äðîâ, ñïèðàëåé, ïåðåõîäÿùèõ â êîëüöî, è, íàêî-
íåö, âûñâîáîæäåíèå çà ñ÷åò íàêîïëåííîé ïîòåí-
öèàëüíîé ýíåðãèè âåùåñòâà ñòåíîê íàíîòðóáêè è
ñàìîîðãàíèçîâàííûé ðîñò íà ìåñòå ýòîé ëîêàëü-
íîé äåôîðìàöèè íàíîòóáóëÿðíîé (Ò-ñîïðÿæåíèå)
èëè ñïëîøíîé ñôåðîèäíîé ñòðóêòóðû. Íà ðèñ. 10
ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàíû ýâîëþöèÿ ëîêàëüíîé
äåôîðìàöèè è îáðàçîâàíèå íîâûõ ñòðóêòóð.
Âñå ýòè ýëåìåíòû ëîêàëüíîé äåôîðìàöèè îá-
íàðóæèâàþòñÿ ïðè âûñîêîì ðàçðåøåíèè. Îíè
ïîêàçàíû íà ðèñ. 9 (à, â) è îñîáåííî õîðîøî ïðî-
ÿâëÿþòñÿ â âåðõíèõ ðàçðûõëåííûõ ñëîÿõ ìíîãî-
ñëîéíîé ÓÍÒ. Êîíå÷íûé ðåçóëüòàò — ôîðìèðî-
âàíèå ñîïðÿæåííûõ ñ èñõîäíîé íàíîñòðóêòóð —
ïîêàçàí íà ðèñ. 9 (á, ã). Íà ðèñ. 9ã âèäíî îáðàçî-
âàíèå Ò-ñîïðÿæåííîé ñ èñõîäíîé ÓÍÒ òóáóëÿð-
íîé ñòðóêòóðû è çàâåðøåííîé ñôåðîèäíîé ñïëîø-
íîé ñòðóêòóðû óãëåðîäà.
Âûâîäû
Òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç ïðî÷íîñòè îäíîñòåííûõ
ÓÍÒ ïîêàçàë, ÷òî îíà çàâèñèò îò îäíîðîäíîñòè
è õàðàêòåðèñòèê ñâÿçåé â îáðàçóþùåé ãðóïïå
àòîìîâ. Ïðî÷íîñòü ÓÍÒ óìåíüøàåòñÿ ïðè âîç-
íèêíîâåíèè ðàçëè÷èÿ â ñâÿçÿõ ëþáîé ãðóïïû àòî-
ìîâ óãëåðîäà ÓÍÒ. Ðàññ÷èòàííîå êâàíòîâî-õè-
ìè÷åñêèì ìåòîäîì ÐÌ3 çíà÷åíèå âåëè÷èíû
ìîäóëÿ Þíãà ïðèìåðíî ñîâïàäàåò ñ èñ÷èñëåí-
íûì äðóãèìè ìåòîäàìè. Ïðåäëîæåíî îöåíèâàòü
ïðî÷íîñòü ÓÍÒ ïî âåëè÷èíàì ýëåìåíòîâ ñèëî-
âîé ìàòðèöû è, ñîîòâåòñòâåííî, êîëåáàòåëüíûì
ñïåêòðàì ÓÍÒ. Ïðåèìóùåñòâîì è ïåðñïåêòèâîé
ýòîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî íàðÿäó ñ ýêñïåðè-
ìåíòàëüíûì ìåòîäîì îöåíêè ìîäóëÿ Þíãà ïðå-
äîñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü îöåíèòü ñîñòîÿíèå
íàíîòðóáêè ïî êîëè÷åñòâó ïîëîñ Ñ—Ñ â êîëåáà-
òåëüíûõ ñïåêòðàõ, ÷òî çíà÷èòåëüíî ðàñøèðÿåò
âîçìîæíîñòè èññëåäîâàíèÿ.
Ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèé àíàëèç âûñî-
êîýíåðãåòè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ íà ÓÍÒ ïîêà-
çàë, ÷òî èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû ÓÍÒ ìîæíî îò-
íåñòè ê îáùèì è ëîêàëüíûì.
Îáùèå âîçäåéñòâèÿ íà îäíîðîäíóþ ìíîãî-
ñòåííóþ ÓÍÒ ïðèâîäÿò ê ðàçðûõëåíèþ ãðóïïû
âåðõíèõ ñëîåâ ñòåíîê ÓÍÒ è îäíîâðåìåííîìó
ñæàòèþ âíóòðåííèõ ñòåíîê. Ïðè ýòîì ïðîèñõî-
äèò ïîãëîùåíèå ýíåðãèè âîçäåéñòâèÿ è íàêîï-
ëåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè çà ñ÷åò ñæàòèÿ
âíóòðåííèõ îáîëî÷åê.
Ïðè âîçíèêíîâåíèè ëîêàëüíîé íåîäíîðîäíîñ-
òè â âåðõíèõ îáîëî÷êàõ ÓÍÒ ïðîèñõîäÿò ýâî-
ëþöèîííîå ðàñøèðåíèå [5], îáðàçîâàíèå êðóã-
ëûõ ïóñòîò è ïåðåíîñ óãëåðîäà â ýòè ïóñòîòû
çà ñ÷åò îñâîáîæäàåìîé íàêîïëåííîé ïîòåíöè-
àëüíîé ýíåðãèè. Âñëåäñòâèå ýòîãî îñóùåñòâëÿ-
þòñÿ ñàìîîðãàíèçîâàííûé ðîñò òóáóëÿðíûõ
ñòðóêòóð (ïðè äîñòàòî÷íî ìàëîé ñêîðîñòè ïå-
ðåíîñà), ôîðìèðîâàíèå Ò-ñîïðÿæåíèÿ ÓÍÒ ðàç-
íîãî äèàìåòðà èëè ñïëîøíûõ ñôåðîèäíûõ óã-
ëåðîäíûõ íàíîñòðóêòóð.
Íà ï³äñòàâ³ êâàíòîâî-õ³ì³÷íîãî ðîçðàõóíêó ìåòîäîì PM3
çä³éñíåíî òåîðåòè÷íèé àíàë³ç ì³öíîñò³ îäíîñò³ííèõ âóãëå-
öåâèõ íàíîòðóáîê (ÂÍÒ). Ïîêàçàíî, ùî âîíà çàëåæèòü
â³ä îäíîð³äíîñò³ é õàðàêòåðèñòèêè çâ’ÿçê³â ó òâ³ðí³é ãðóï³
àòîì³â. ̳öí³ñòü ÂÍÒ çìåíøóºòüñÿ ïðè âèíèêíåíí³
â³äì³ííîñò³ ó çâ’ÿçêàõ áóäü-ÿêî¿ ãðóïè àòîì³â âóãëåöþ ÂÍÒ.
Çàïðîïîíîâàíî îö³íþâàòè ì³öí³ñòü ÂÍÒ çà âåëè÷èíàìè
åëåìåíò³â ñèëîâî¿ ìàòðèö³ òà, â³äïîâ³äíî, êîëèâàëüíèì
ñïåêòðàì ÂÍÒ, ùî çíà÷íî ðîçøèðþº ìîæëèâîñò³ äîñë³-
äæåííÿ ¿õí³õ âëàñòèâîñòåé.
ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ И ОДНОМЕРНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ
57
М
АТ
ЕР
И
АЛ
О
ВЕ
Д
ЕН
И
Е
Íàíîñòðóêòóðíîå ìàòåðèàëîâåäåíèå, 2009, ¹ 3
Åëåêòðîííî-ì³êðîñêîï³÷íèé àíàë³ç âèñîêîåíåðãåòè÷íîãî
âïëèâó íà ÂÍÒ ïîêàçàâ, ùî çì³íè ñòðóêòóðè ÂÍÒ ìîæíà
ïîä³ëèòè íà çàãàëüí³ é ëîêàëüí³.
Çàãàëüíèé âïëèâ íà îäíîð³äíó áàãàòîñò³ííó ÂÍÒ ïðèçâî-
äèòü äî ðîçïóøåííÿ ãðóïè âåðõí³õ øàð³â ñò³íîê ÂÍÒ òà
îäíî÷àñíîãî ñòèñíåííÿ âíóòð³øí³õ ñò³íîê, ùî ñïðè÷èíÿº
íàêîïè÷åííÿ ïîòåíö³éíî¿ åíåð㳿.
Ïðè âèíèêíåíí³ ëîêàëüíî¿ íåîäíîð³äíîñò³ ó âåðõí³õ
îáîëîíêàõ ÂÍÒ â³äáóâàºòüñÿ ñàìîîðãàí³çîâàíå çðîñ-
òàííÿ òóáóëÿðíèõ ñòðóêòóð (çà äîñòàòíüî ìàëî¿ øâèä-
êîñò³ ïåðåíåñåííÿ), ôîðìóâàííÿ Ò-ñïîëó÷åííÿ ÂÍÒ
ð³çíîãî ä³àìåòðà àáî ñóö³ëüíèõ ñôåðî¿äíèõ âóãëåöåâèõ
íàíîñòðóêòóð.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: áàãàòîñò³íí³ òà îäíîñò³íí³ âóãëåöåâ³ íà-
íîòðóáêè, åëåêòðîííà ì³êðîñêîï³ÿ, ñòðóêòóðà, êâàíòî-
âî-õ³ì³÷íèé ðîçðàõóíîê
Based on the quantum-chemical calculations by PM3 a
theoretical analysis of the strength of single-wall carbon
nanotubes (CNT) has been carried out. We show that it depends
on the homogeneity and the characteristics of bonds in a forming
group of atoms. The strength of NT decreases when a difference
in bonding in any group of carbon atoms CNT arises. We
propose to evaluate the strength of CNT in accordance with
the values of the power matrix, and correspondingly vibrational
spectra of NT, that significantly enhances the potential for
study of their properties.
Electron microscopic analysis of high-energy impact on the
CNT has shown that changes in the structure of CNT can be
divided into general and local.
The general impact on homogeneous multi-wall CNT lead to
loosening of the group of upper layers of the walls and the
simultaneous contraction of NT internal walls that results in
accumulation of potential energy.
In the case of a local inhomogeneity in the upper shells of CNT
self-growth of tubular structures (with a sufficiently low
transfer speed), formation of T-coupling of CNT of different
diameter, or forming of continuous spheroid carbon
nanostructures takes place.
Key words: single-wall and multi-wall carbon nanotubes,
electron microscopy, structure, quantum-chemical calculations
1. Lu J.P. Elastic properties of carbon nanotubes and nanoropes //
Phys. Rev. Lett. — 1997. — V. 79. — P. 1297.
2. Yakobson B. I., Brabec C. J., Bernholc J. Nanomechanics
of carbon tubes: instabilities beyond linear response //
Phys. Rev. Lett. — 1996. — V. 76. — P. 2511.
3. Shen Lianxi, Li Jackie. Transversely isotropic elastic
properties of single-walled carbon nanotubes // Physical
Review B. — 2004. — V. 69. — ¹ 4. — Ð. 045414.
4. Young’s modulus of single-walled nanotubes / Krishnan A.,
Dujardin E., Ebbesen T.W. et al. // Physical Review B. —
1998. — V. 58. — ¹ 20. — Ð. 14013.
5. Áîãîñëàâñêàÿ Å.Ñ., Áàæèí È.Â. Ìîäåëèðîâàíèå ïðî-
öåññîâ ðàçðóøåíèÿ óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê è èõ êîí-
òàêòîâ / Æóðíàë “Èññëåäîâàíî â Ðîññèè”. — 2009. —
Ñ. 532–536 [Ýëåêòðîííûé ðåñóðñ]. — Ðåæèì äîñòóïà:
http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/046.pdf.
6. Stewart J.J.P. Optimization of Parameters for
Semiempirical Methods V: Modification of NDDO
Approximations and Application to 70 Elements // J. Mol.
Mod. — 2007. — V. 13. — P. 1173–1213.
7. RM1: A reparameterization of AM1 for H, C, N, O, P, S,
F, Cl, Br and I / G.B. Rocha, R.O. Freire, A.M. Simas,
J.J.P. Stewart // J. Comput. Chem. — 2006. — V. 27,
¹ 10. — P. 1101–1111.
8. Stewart J.J P. Optimization of parameters for semiempirical
methods. I. Method // J. Comput. Chem. — 1989. —
V. 10, ¹ 2. — P. 209–220.
9. Åíÿøèí À.Í., Èâàíîâñêèé À.Ë. Ìîäåëèðîâàíèå àòîìíî-
ãî ìåõàíèçìà äåôîðìàöèè èçëîìà óãëåðîäíûõ è áîð-àçîò-
íûõ íàíîòðóáîê â ïðîöåññå èõ èçãèáà // Èçâåñòèÿ ×åëÿ-
áèíñêîãî íàó÷íîãî öåíòðà. — 2007. — Âûï. 3. — Ñ. 20–23.
10. Melker A.I., Kornilov D.A., Romanov S.N. Molecular
dynamics study of formation and mechanical properties of
carbon nanotubes // 6th Biennial International Workshop:
Fullerenes and Atomic Clusters. Abstracts of InvitedLectures
and Contributed Papers. IWFAC“2003. P. 223.
11. Chentsov A.V. Discrete-continuum modeling of carbon
nanomaterials. Int. Conf. “NENAMAT”. NANO’05
Abstract booklet. Brno, Chech Republic, 2005. Ð. 63.
12. In situ nucleation of carbon nanotubes by the injection of
carbon atoms into metal particles / Rodriguez-Manzo J.A.,
Terrones M., Terrones H. et al. // Pablished online: 2007;
doi: 10.1038/nano. 2007. 107; p. 307–311.
13. Collapse of single-walled carbon nanotubes / T. Tang,
A. Jagota, C.Y. Hui, N.J.J. Glassmaker // Appl. Phys. —
2005. — V. 97. — P. 074310–074316.
14. Chang T. Dominoes in carbon nanotubes. — Phys. Rev.
Lett. — 2008. — V. 101. — P. 175501.
Ðèñ. 10. Ñõåìà ýâîëþöèè ëîêàëüíîé äåôîðìàöèè
|