Образование и рост фуллеренов и нанотрубок, имеющих Т-симметрию третьего порядка
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-37-53
Аннотация
В соответствии с периодической системой фуллеренов все фуллерены можно классифицировать по группам, имеющим разную симметрию. Есть основания полагать, что фуллерены с одним и тем же типом симметрии имеют схожие свойства. До возникновения периодической системы в 2017 году фуллерены для изучения выбирались случайным образом, что вместо упорядочения результатов только увеличивало энтропию информации. Мы изучили возможные способы создания и выращивания фуллеренов, относящихся к группе фуллеренов, имеющих трехступенчатую Т-симметрию. Начиная с кластеров C6, образующих циклопропан C3H6, мы получили элементарные фуллерены C6, а также мини-фуллерены C12, которые, в свою очередь, образовали фуллерены от C18 до C48, идеальные и неидеальные, а также нанотрубки. Основные идеальные (совершенные) фуллерены C18, C24, C30, C36, C42 и C48 имели обычную симметрию третьего порядка, промежуточные фуллерены не имели такой симметрии. Их несовершенность связана с дополнительными «внедренными», или углеродными, димерами, играющими роль дефектов. Можно описать неидеальные (несовершенные) фуллерены с дефектами как фуллерены, имеющие топологическую симметрию третьего порядка. Используя редактор Авогадро, мы рассчитали их форму и энергии и обсудили возможные причины их зависимости от размера и формы фуллерена. Установлено, что фуллерены можно разделить на две группы: живые и способные расти и мертвые, неактивные. Учитывая полученные ранее результаты, можно предположить, что мертвые фуллерены C24R, C32R, C40R и C48R с симметриями третьего, четвертого, пятого и шестого порядка имеют больше шансов быть обнаруженными экспериментально по сравнению с их изомерами.
Ключевые слова
углерод,
внедрение,
энергия,
фуллерен,
реакция синтеза,
графическое представление,
рост,
нанотрубка,
периодическая система,
одинарная и двойная связь,
топологическая симметрия
При поддержке: Статья подготовлена по материалам докладов участников X Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2021), Тольятти, 13–17 сентября 2021 года.
Об авторах
Александр Иосифович Мелькер
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
Россия
Россия
доктор физико-математических наук, профессор, профессор Санкт-Петербургской Академии наук проблем прочности
Мария Алексеевна Крупина
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
Россия
Россия
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экспериментальной физики
Александра Николаевна Матвиенко
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
Россия
Россия
инженер Высшей школы механики и процессов управления
Список литературы
1. Melker A.I., Krupina M.A. Geometric modeling of midi-fullerene growth from C32 to C60 // St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2017. Vol. 10. № 1. P. 47–54. DOI: 10.1016/j.spjpm.2017.02.002.
2. Melker A.I., Krupina M.A. Modeling growth of midi-fullerenes from C48 to C72 // Materials Physics and Mechanics. 2017. Vol. 34. № 1. P. 29–36. DOI: 10.18720/MPM.3412017_3.
3. Melker A.I., Krupina M.A., Zarafutdinov R.M. Fullerenes of the Δn=12 series // Materials Physics and Mechanics. 2017. Vol. 34. № 1. P. 46–50.
4. Melker A.I., Vorobyeva T.V., Zarafutdinov R.M. Fullerenes of the Δn=6 series // Journal of Applied and Theoretical Physics Research. 2018. Vol. 2. № 1. P. 1–4. DOI: 10.24218/jatpr.2018.13.
5. Melker A.I., Zarafutdinov R.M., Krupina M.A. Fullerenes of the Δn=10 series // Materials Physics and Mechanics. 2017. Vol. 34. № 1. P. 37–45. DOI: 10.18720/MPM.3412017_4.
6. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Structure and energy of the Δn=14 series fullerenes // International Journal Atomic and Nuclear Physics. 2018. Vol. 3. Article number 008. DOI: 10.35840/2631-5017/2508.
7. Melker A.I., Vorfobyeva T.V., Zarafutdinov R.M. Modeling fullerene growth by fusion reactions of cupola half-fullerenes: Δn=16 series // Materials Physics and Mechanics. 2019. Vol. 41. № 1. P. 36–44. DOI: 10.18720/MPM.4112019_6.
8. Косевич А.М. Физическая механика реальных кристаллов. Киев: Наукова думка, 1981. 327 с.
9. Melker A.I., Krupina M.A., Zarafutdinov R.M. Periodic system of fullerenes: the column of three-fold symmetry // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2019. Vol. 22. № 4. P. 383–394. DOI: 10.33581/1561-4085-2019-22-4-383-394.
10. Melker A.I., Krupina M.A., Matvienko A.N. Nucleation and growth of fullerenes and nanotubes having four-fold symmetry // Materials Physics and Mechanics. 2021. Vol. 47. № 2. P. 315–343. DOI: 10.18149/MPM.4722021_13.
11. Melker A.I., Starovoitov S.A., Zarafutdinov R.M. Tetrahedral mini- and midi-fullerenes // Materials Physics and Mechanics. 2019. Vol. 41. № 1. P. 52–61. DOI: 10.18720/MPM.4112019_8.
12. Sánchez-Barnabe F.J. Towards a periodic pattern in classical and nonclassical fullerenes with tetrahedral structure // Materials Physics and Mechanics. 2020. Vol. 45. № 1. P. 79–86. DOI: 10.18720/MPM.4512020_8.
13. Свердлов Л.М., Ковнер М.А., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. М.: Наука, 1970. 559 с.
14. Hanwell M.D., Curtis D.E., Lonie D.C., Vandermeersch T., Zurek E., Hutchison G.R. Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform // Journal of Cheminformatics. 2012. Vol. 4. № 8. Article number 17. DOI: 10.1186/1758-2946-4-17.
15. Melker A.I., Krupina M.A., Zarafutdinov R.M. Fullerenes of the Δn=2 series // Materials Physics and Mechanics. 2018. Vol. 39. № 1. P. 49–55. DOI: 10.18720/MPM.3912018_8.
16. Melker A.I., Vorobyeva T.V., Zarafutdinov R.M. Fullerenes of the Δn=4 series // Materials Physics and Mechanics. 2018. Vol. 39. № 1. P. 43–48. DOI: 10.18720/MPM.3912018_7.
17. Melker A.I., Matvienko A.N. Periodic system of fullerenes: isomers from C20 to C28 // Proceedings of the 18th Int Workshop: Nano-Design, Technology, Computer Simulations, Sept. 24-27. Brest, 2019. P. 72–78.
18. Slanina Z., Zhao X., Uhlik F. Model narrow nanotubes related to C36, C32 and C20: initial computational structural sampling // Materials Science and Engineering B: Solid-State Materials for Advanced Technology. 2002. Vol. 96. № 2. P. 164–168. DOI: 10.1016/S0921-5107(02)00312-4.
19. Melker A.I., Krupina M.A. Unified approach to forming fullerenes and nanotubes // Materials Physics and Mechanics. 2017. Vol. 34. № 1. P. 1–17. DOI: 10.18720/MPM.3412017_1.
20. Amiri H., Shepard K.L., Nuckolls C., Hernandez S.R. Single-walled carbon nanotubes: mimics of biological channels // Nano Letters. 2017. Vol. 17. № 2. P. 1204–1211. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04967.
21. Tunuguntla R.H., Henley R.Y., Yao Y.-Ch., Pham T.A., Wanunu M., Noy A. Enhanced water permeability and tunable ion selectivity in subnanometer carbon nanotube porins // Science. 2017. Vol. 357. № 6353. P. 792–796. DOI: 10.1126/science.aan2438.
22. Melker A.I. Dynamics of Condensed Matter. Vol. 2. Collisions and Branchings. Sankt Petersburg: St. Petersburg Academy of Sciences on Strength Problems, 2010. 342 p.
23. Schwerdtfeger P., Wirz L.N., Avery J. The topology of fullerenes // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2015. Vol. 5. № 1. P. 96–145. DOI: 10.1002/wcms.1207.
24. Endo M., Kroto H.W. Formation of carbon nanofibers // Journal of Physical Chemistry. 1992. Vol. 96. № 17. P. 6941–6944. DOI: 10.1021/j100196a017.
25. Melker A.I. Dynamics of Condensed Matter. Vol. 1. Vibrations and Waves. Sankt Petersburg: St. Petersburg Academy of Sciences on Strength Problems, 2013. 527 p.
Рецензия
Для цитирования:
Мелькер А.И., Крупина М.А., Матвиенко А.Н. Образование и рост фуллеренов и нанотрубок, имеющих Т-симметрию третьего порядка. Frontier Materials & Technologies. 2022;(2):37-53. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-37-53
For citation:
Melker A.I., Krupina M.A., Matvienko A.N. Nucleation and growth of fullerenes and nanotubes having three-fold T-symmetry. Frontier Materials & Technologies. 2022;(2):37-53. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-37-53
Просмотров: 104
Послать статью по эл. почте 