中国科学: 物理学 力学 天文学
2010年 第40卷 第3期: 353 ~ 360 SCIENTIA SINICA Phys, Mech & Astron https://www.doczj.com/doc/f715947357.html, https://www.doczj.com/doc/f715947357.html,
引用格式: 杨晓东, 贺鹏飞, 吴艾辉, 等. 石墨烯纳米压痕实验的分子动力学模拟. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2010, 40: 353 ~ 360
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
论 文
石墨烯纳米压痕实验的分子动力学模拟
杨晓东, 贺鹏飞*, 吴艾辉, 郑百林
同济大学航空航天与力学学院, 上海 200092 * 联系人, E-mail: ph232@https://www.doczj.com/doc/f715947357.html,
收稿日期: 2009-12-11; 接受日期: 2010-01-27
上海市科学技术委员会基础研究重点项目资助(批准号: 09JC1414400)
摘要 我们基于分子动力学(Molecular Dynamics), 建立了石墨烯纳米压痕实验的数值模型, 以模拟压痕实验过程, 得到典型实验过程的力-位移曲线, 并进而讨论压头下压速度, 压头半径以及边界条件等因素对实验结果的影响. 论文测得石墨烯弹性模量为1 TPa, 强度为240 GPa. 加载过程中, 压头加载到临界压入深度h c 时, 石墨烯试件在压头处撕裂破坏. 给定最大压入深度, 对石墨烯进行加载—卸载—再加载试验, 发现当最大压入深度h max 小于h c 时, 石墨烯发生的是完全弹性变形; 当最大压入深度h max 大于h c 时, 卸载和再加载过程中石墨烯能基本恢复原貌, 但仍有少数C —C 键较长而无法恢复, 成为石墨烯再加载时的破坏起点, 石墨烯的破坏力和位移都显著下降. 另外, 还发现大于0.05 nm/ps 的压头速度和压头半径对石墨烯临界压入深度和破坏力都有显著影响.
关键词 石墨烯, 纳米压痕实验, 分子动力学 PACS: 61.46.-w, 81.07.Nb, 81.05.Uw, 81.40.Jj, 31.15.Qg
2004年, 英国曼彻斯特大学的Novoselov 课题组第一次用机械剥离法获得了单层石墨烯[1], 从而引发了全世界研究碳质材料的新浪潮. 完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构, 它可以形成石墨, 卷曲成富勒烯或碳纳米管等各种碳材料[2,3]. 碳原子之间通过很强的σ键连接, 这使石墨烯具有优异的强度和刚度. 每个碳原子有四个共价键和一个未成键的π电子, π电子可在晶体中自由移动, 赋予石墨烯良好的导电性[4]. 由于具有卓越的力学和电学等性能, 石墨烯有望在增强材料[5]、传感器[6]、微纳电子器件等领域获得广阔的应用. 例如目前科学家已经制备出基于石墨烯的最小的印刷线路板和单电子晶体管, 将来可能为发展超高速计算机芯片带来突破[2,7].
然而, 广泛应用的基础则是对石墨烯性能的充
分了解. 就其力学性能而言, 已有一些学者进行了一些初步探索与研究[8,9]. 石墨烯力学行为的研究方法主要有实验研究、理论分析和数值模拟等方法. 由于受到纳米尺度的限制, 理论研究主要集中在电子性能等方面[10], 数值模拟主要采用从头计算、分子动力学、分子结构力学等方法. Lier 等人[11]用从头计算方法模拟得到碳纳米管和石墨烯的弹性模量和泊松比; 袁剑辉等人[12]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碳纳米管杨氏模量进行了计算和分析; Sakhaee-Pour [13]用等效梁模型模拟石墨烯的C —C 共价键作用, 研究了单层石墨烯的弹性性质. 石墨烯力学行为的实验研究显得非常困难, 传统的实验方法难以实现. 纳米压痕实验利用原子力显微镜(AFM)测量力与静态位移的相互关系, 从而得到弹
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性模量和屈服强度等参数. 其具有操作方便, 试件制备简单的特点, 因此被广泛用来测量纳米材料的力学性能. 目前, 国内外学者对石墨烯纳米压痕以及力学性能进行了研究. Frank 等人[14]用AFM 测量了石墨烯层(小于5层)的有效刚度常数, Lee 等人[15]对自由摆放在纳米缺口上单层石墨烯进行了纳米压痕实验,
得到了二维石墨烯的杨氏模量和破坏强度. Hemma- sizadeh 等人[8]建立了等效连续模型对石墨烯压痕过程进行分析, Medyanik 等人[16]发展了多尺度边界条件方法来实现单层和多层石墨的原子模拟.
需要注意的是, 纳米压痕实验仅仅是一种间接
的测试方法, 并不能直接得到石墨烯的力学性能参数, 因此必须与理论分析或数值分析相结合. 本文基于分子动力学(Molecular Dynamics), 建立了石墨烯纳米压痕实验数值模型, 研究了石墨烯在压头作用下的变形和破坏机制, 得到了石墨烯的弹性模量和强度, 并对比了不同加载速率和实验材料尺寸对压痕实验的影响. 1 物理模型及模拟方法
1.1 模型建立
石墨烯是由单层碳原子通过共价键结合而成的蜂窝状二维晶体, 如图1所示. 单层石墨烯可以通过图中的单元晶胞沿平面两方向复制而成, 其中C —C 键长大约为0.142 nm. 如图2所示, 为本文所建立的石墨烯纳米压痕实验的计算模型, 单层石墨烯薄膜直径为22 nm, 原子数为12678个. 其中, 为了模拟纳米压痕实验过程, 将石墨烯碳原子分成两类, 一类是图2中央圆形区域中白色的自由原子, 在压痕实 验中保持自由, 圆形区域直径为20 nm, 原子数为
图1 石墨烯结构示意图
图2 石墨烯压痕实验模型 11503个; 另一类是图2圆形区域外的绿色边界原子, 作为白色原子的边界, 在压痕实验中保持固定, 原子数为1175个. 纳米压痕实验中压头采用球形金刚石进行模拟, 如图2中的红色球体所示. 金刚石呈正四
面体空间结构, C —C 键长大约为0.155 nm. 球形压头半径为2 nm, 原子数为5839个.
1.2 模拟方法及过程
分子动力学方法是从微观尺度建立一个粒子系统来模拟所研究对象的方法, 它正逐渐成为物理、化学、生命和材料科学研究中不可或缺的重要的研究手段. 它的基本原理是通过假设原子间相互作用势, 求得每个原子受力, 在选定的步长、边界条件和初始条件下, 对有限数目的分子(原子)建立牛顿第二定律表达的质点运动微分方程, 再用数值方法求积分, 可得到系统中原子的一系列构形随时间的演化, 应用统计理论可得出系统的力学、热学和动力学性质.
系统中各粒子之间的相互作用通过势函数来控制, 不同的势函数则是根据量子及分子动力学理论来确定的, 而势函数的选取是分子动力学模拟的关键[17]. 模型中, 石墨烯原子和金刚石压头原子之间范德华力采用Lennard-Jones 势[18]进行模拟, 石墨烯和金刚石中碳-碳原子之间σ 键采用共价键的Tersoff 势[19]进行模拟. Lernnard-Jones 势用来描述同一分子体系内没有直接化学键作用的两原子间的势能, 属于二体对势. 常见的6-12形式的表达式为
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126LJ 4,E r r σσε??
????=???????????????
(1)
其中, r 表示两原子间的距离, ε和σ 分别是能量标度
参数和基本尺度参数. 上式中第一项代表短程排斥
作用, 第二项表示远程吸引作用. 对于石墨烯纳米压
痕系统, 可以用Lernnard-Jones 势函数来模拟金刚石
和石墨烯之间非成键碳原子的范德华力作用, 本文
中ε和σ分别取0.002865 eV 和0.3469 nm [20].
Tersoff 势被广泛应用于共价键体系的模拟, 它
是一种多体势函数, 表达式为
1
,2i ij i
i j E E V ≠==∑∑ (2) c R A ()()(),ij ij ij ij ij V f r f r b f r ??=+?? (3) 其中, E 是体系总能量, ij V 为i , j 原子之间的成键能量, A f 和R f 分别是对势的吸引项和排斥项, c f 是光滑截
断函数, ij b 是键序函数. 其中键序函数ij b 用于表征系统的多体效应, 它计及i , j 原子及其周围键空间分布的影响, 其具体形式可见文献[21,22]. 这种多体势函数可以很好地模拟C —C 共价键的各种特性, 包括键长、键角、键能、晶格常数和键的断裂重组等动态行为. 因此本文采用Tersoff 势函数模拟石墨烯和金刚石中碳-碳原子之间的σ 键.
石墨烯纳米压痕实验进行分子动力学模拟时, 首先, 施加自由边界条件, 采用共轭梯度法, 通过调整每个原子的坐标, 对石墨烯结构进行能量最小化计算, 得到石墨烯的初始位形.
其次, 进行系统平衡过程. 此时, 固定边界原子
z 向的位移, 使石墨烯可以自由地在平面内运动, 以模拟石墨烯放置在纳米缺口上的情形. 采用Verlet 有限差分算法进行计算, 同时选取Nose-Hoover 热浴法
将石墨烯的温度控制在0.1 K. 步长设置为1 fs, 计算
10000步后得到石墨烯在0.1 K 下的平衡结构, 此时
便可以进行施加荷载计算.
最后, 进行纳米压痕实验. 此时, 把边界原子三
个方向的位移全部固定, 以防止石墨烯在纳米压痕
实验时滑动. 不失一般性, 如无特别指出, 本文将采
用的计算步长设置为1 fs, 加载速度设为0.05 nm/ps,
沿石墨烯下表面法向(即?z 向)进行加载, 卸载时压头
按相同速度相反方向(z 向)运动实现. 在模拟过程同
时, 动态输出球形压头受力在z 方向的分量以及球形压
头底端的z 坐标值, 以得到压入过程的力-位移曲线.
2 结果分析及讨论
2.1 典型力-位移曲线和变形破坏机制
收集压痕过程的压头受力值(F )与压头压入深度值(h ), 可以得到压入过程的力-位移曲线. 模拟实验中, 测得石墨烯破坏时的临界压入深度为5.2846 nm, 即在h c =5.2846 nm 时, 石墨烯发生了破坏, 此时压头临界荷载为F c =483.70 nN. 给定最大压入深度小于临界深度, 对石墨烯进行加载—卸载—再加载试验. 图3(a)显示的是当h =h max =5.2414 nm 时进行卸载再加载的力-位移曲线. 随着h 的增加, 金刚石压头与石墨烯相互作用力从较弱的远程吸引力(10?13 nN)变为短程排斥力, 而石墨烯薄膜被压头挤压出一个逐渐增
图3 不同时刻进行卸载的力-位移曲线(a)破坏前卸载和(b)破坏后卸载
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大的凹坑, 压头受力值F 也不断增大. 当h =h max 时开始卸载, 力与位移又随之减小, 而且当压头回到加载前位置时, 石墨烯能完全恢复原状, 无任何原子脱离石墨烯平面, 再加载仍然能达到原来的破坏强度, 表明此过程中石墨烯发生了完全的弹性变形.
与上述试验相反, 图3(b)给出的是h max =5.3414 nm(稍大于h c )时加载—卸载—再加载的力-位移曲线, 图4显示的是此过程中不同时刻石墨烯的几何构形. 为方便观察石墨烯键长的变化, 图中模型用白色线段表示石墨烯的C —C 键, 白色线段的交点为碳原子. 视角采用仰视图, 从而便于观察金刚石压头下的石墨烯形态的演变.
随着加载深度的增大, 石墨烯原子受到金刚石压头原子的挤压, C —C 键被逐渐拉长, 尤其是压头附近的石墨烯原子, C —C 键比周围原子有显著增长, 但依然保持着六边形结构. 终于在h c =5.2846 nm 时, 压头附近一处的碳环变为不规则的六边形, 其中最长的一对C —C 键达到0.381 nm, 为平衡状态下(0.142 nm)的2.68倍, 如图4(a)所示, 这便是石墨烯破坏的开始. 此时, 石墨烯突然失去对压头的挤压力, 压头受力开始陡降. 之后石墨烯从这一对C —C 键开始开裂, 石墨烯从该不规则六边形碳环逐渐撕裂成两道裂口(图4(b)), 最终形成三道裂口(图4(c), (d)), 压头受力也变为接近于零.
卸载时, 石墨烯与金刚石压头相互作用始终接近于零. 值得注意的是, 随着压头的卸载, 石墨烯三道裂口处的原子由于相互吸引, 又逐渐接合在一起, 如图4(e)所示. 接合过程从四周向中心进行, 然而卸载完全时, 石墨烯并不能完全恢复原状, 部分原子脱离石墨烯薄膜平面, 如图4(f). 然而, 在对石墨烯进行再加载时, 这部分没有接合的原子由于金刚石压头的挤压, 又能重新回到一个面上, 绝大部分能够完全接合, 只有少数几个C —C 键仍然比较长, 如图4(g)所示. 最终正是从这些无法恢复的原子处发生了再次撕裂, 而石墨烯的破坏力和以及对应的压入深度都有显著下降.
2.2 石墨烯弹性模量和破坏强度
单层圆形石墨烯在纳米压痕实验中近似于一个中心加载、圆周固定的弹性薄膜. 其力-位移曲线可近似表达为[15]
3
2230
()(),D D h h F R E q R R R σ????
=π+????????
(4)
式中, F 表示压头受力, h 表示中心点位移. 压头受力
由两部分组成: 第一项是弹性薄膜预张力项, 由20
D
σ表示的薄膜预张力所引起, R 是薄膜半径; 第二项表示薄膜大变形项, E 2D 是薄膜的二维杨氏弹性膜量. 由于石墨烯是一种二维材料, 因此其应变能密度可以用单位面积能量来表示, 对应的应力和弹性模量可表示为σ 2D 和E 2D , 单位为N/m. 将二维应力和模量除以石墨烯有效厚度(这里取石墨晶体的层间距0.335 nm [15,17])便可以得到传统的三维应力和模量.
21/(1.0490.150.16)0.9805q v v =??=是一个无量纲
常数, 其中v 表示泊松比(这里取石墨的泊松比0.165[15]). 用此式与模拟所得的力-位移曲线进行最
小二乘法拟合, 便可得到石墨烯的预张力20D
σ和二维
弹性模量E 2D . 对于一个球形压头加载、圆周固定的弹性薄膜, 其面内最大应力可表示为[15]
1
22
2,4D
D m F
E r σ??
=?
?π??
(5) 其中, 2D
m
σ是薄膜圆心处最大应力, r 是球形压头半径. 将石墨烯破坏时压头受力F 以及弹性模量和压头
半径代入此式便可求得石墨烯的破坏强度.
本文对不同半径石墨烯(10 nm, 20 nm)用不同压头半径(1.5 nm, 2 nm)进行共进行4组纳米压痕实验, 计算的石墨烯弹性模量和强度如表1所示. 计算所得的二维弹性模量平均为352.6 N/m, 三维弹性模量为1.053 TPa, 二维强度为81.6 N/m, 三维强度为243.6 GPa. 其中, 10 nm 半径的石墨烯用2 nm 半径进行加载的力-位移曲线与拟合的(4)式如图5所示. 国内外许多学者也分别用不同方法测得石墨烯弹性模量, 如韩同伟等人[23]用分子动力学模拟石墨烯拉伸破坏过程, 得到弹性模量 1 TPa; 文献[13]用分子结构力学方法得到石墨烯弹性模量为 1 TPa; 文献[15]的石墨烯纳米压痕实验测得石墨烯弹性模量也为1 TPa.
2.3 不同实验参数对石墨烯压痕实验的影响
分别采用0.1, 0.05, 0.01, 0.005 nm/ps 等不同压头下压速度进行加载至石墨烯破坏, 以考察不同加载速度对石墨烯破坏力的影响. 计算得到荷载-位移曲线如图6所示, 图中曲线的末端为石墨烯的破坏点.
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图4 石墨烯纳米压痕实验不同时刻局部几何构形
(a) 加载深度5.2846 nm; (b) 加载深度5.2996 nm; (c) (d) 卸载深度2.2893 nm; (e) 卸载深度1.5233 nm; (f) 卸载深度?1.0836 nm; (g) 再加
载深度3.0646 nm; (h) 再加载深度4.6396 nm
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表1 石墨烯弹性模量和强度
石墨烯半径(nm) /压头半径(nm) 10/2 10/1.5 20/2 20/1.5
平均二维弹性模量(N m ?1) 409.3 304.7 373.1 323.1
352.6三维弹性模量(TPa) 1.221 0.910 1.114 0.964 1.053二维强度(N m ?1) 82.4 82.7 80.7 80.581.6三维强度(GPa)
246.0 246.9 240.9 240.3
243.6
图5 模拟力-位移曲线与拟合公式(4)曲线
图6 不同加载速度的力-位移曲线
从中可以看出, 加载速度越快, 力越急剧地增大, 且压入临界深度h c 减小. 而破坏模式均相同, 从圆心处发生撕裂破坏. 石墨烯的压痕曲线变化存在一个临界值, 约为0.05 nm/ps, 当加载速度大于该值时, 加
载速度对压痕曲线有显著影响. 但当速度小于0.05 nm/ps 时, 加载速度对压痕曲线影响较小. 如图6中所示, 0.1 nm/ps 速度比0.05 nm/ps 提高一倍, 临界荷载上升17.4%, 临界压入深度下降36.6%. 而0.01 nm/ps 速度是0.05 nm/ps 的1/5, 临界荷载仅下降3.0%, 临界压入深度仅上升 4.2%. 对于分子动力学计算来说, 一般需要大量的计算时间, 计算效率显得特别重要. 而在满足研究目的的条件下, 加载速度越快, 计算效率越高. 因此我们主要采用0.05 nm/ps 进行前述的石墨烯纳米压痕的加载—卸载—再加载实验.
通过改变球形压头的半径r (1.5 nm, 2.0 nm)和自由石墨烯试件的半径R (20 nm, 40 nm), 本文考察了压头半径与自由石墨烯半径对结果的影响, 计算的力-位移曲线结果如图7所示. 图中可以看出石墨烯破坏力与压头半径有显著的关系, 随着压头半径增
大, 石墨烯中央处受力更加均匀, 石墨烯可以达到 更高的破坏力, 临界压入深度也更大; 而在不同半径的石墨烯试件下, 压入的深度有所不同, 试件越大, 临界压入深度也越深, 但不同试件下破坏力却是相当的. 即对于石墨烯的破坏力, 石墨烯本身试样半径影响不大, 而压头半径影响较大, 这和公式(5)是一致的.
图7 不同压头半径(r )和自由石墨烯半径(R )的力-位移
曲线
3 结论
本文运用分子动力学方法, 建立了石墨烯纳米
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压痕实验的数值模型, 对石墨烯纳米压痕实验过程进行了模拟研究, 测得石墨烯弹性模量为 1 TPa, 强度为240 GPa. 模拟结果表明: 压头加载到临界压入深度时, 石墨烯突然从压头附近的一处拉长的C —C 键发生撕裂破坏. 对石墨烯进行破坏前的卸载－再加载试验, 石墨烯能完全恢复原状, 再加载仍然能达到原来的破坏强度, 即石墨烯在破坏前发生的是完全弹性变形; 破坏后进行卸载—再加载实验, 卸载时石墨烯会部分重新接合, 并且在再加载时大部分恢复原状, 但仍有少数C —C 键较长, 成为石墨烯再加载时的破坏起点, 石墨烯的破坏力和位移都显著下
降. 压头速度对实验结果有一定影响, 加载速度越快, 石墨烯名义硬度越急剧地增大, 压头受力也急剧增大, 破坏对应的临界压入深度减小. 而这种影响在0.05 nm/ps 上下有所不同: 当加载速度大于该值时, 加载速度对压痕曲线有显著影响, 而当加载速度小于该值时, 压痕曲线变化较小. 对于石墨烯的破坏力, 石墨烯试样半径影响不大, 而压头半径影响较大. 其可能的原因是, 随着压头半径增大, 石墨烯中央处受力更加均匀, 石墨烯可以达到更高的破坏力, 临界压入深度也更大. 这些结论对于采用纳米压痕实验对石墨烯进行准确的性能表征具有重要意义.
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Molecular dynamics simulation of nanoindentation for
graphene
YANG XiaoDong, HE PengFei*, WU AiHui & ZHENG BaiLin
School of Aerospace Engineering and Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092
Molecular dynamics simulation of nanoindentation experiment on single layer graphene sheets is carried out. A typical force-displacement curve is obtained and the effects of various factors including indenter radius, velocities as well as boundary conditions on the simulation results are discussed. The Young’s modulus and the strength of the graphene are measured as 1 terepascals and 240 gigapascals, respectively. Observation of the deformation process shows that the graphene rips from the central point at a critical indentation depth h c. It is found from the loading-unloading-reloading processes of different maximum indentation depth h max that the graphene undergoes entire elastic deformation if h max is less than h c. However, when h max is larger than h c, fracture appears in the graphene from the irregular hexagon formed by lengthened C—C bonds upon loading. When unloaded and reloaded the graphene can largely reinstate though with a few bonds of carbon atoms being much longer than their original lengths. Easier ripping of the graphene may initiate from these bonds, which in turn, results in significant decrease of strength and deformation of the graphene. Additionally, a loading speed of higher than 0.05 nm/ps and the radius of the indenter have remarkable effects on the critical indentation depth and force. These results are significant for the application of nanoindentation in characterizing the mechanical properties of graphene accurately.
graphene, nanoindentation, molecular dynamics
PACS:61.46.-w, 81.07.Nb, 81.05.Uw, 81.40.Jj, 31.15.Qg
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
墨烯纳米材料及其应
二?一七年十二月
摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签
石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov
分子动力学的模拟过程 分子动力学模拟作为一种应用广泛的模拟计算方法有其自身特定的模拟步骤,程序流程也相对固定。本节主要就分子动力学的模拟步骤和计算程序流程做一些简单介绍。 1. 分子动力学模拟步驟 分子动力学模拟是一种在微观尺度上进行的数值模拟方法。这种方法既可以得到一些使用传统方法,热力学分析法等无法获得的微观信息,又能够将实际实验研究中遇到的不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。 分子动力学模拟的步骤为: (1)选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。 (2)设定模拟区域的边界条件,选取粒子间作用势模型。 (3)设定系统所有粒子的初始位置和初始速度。 (4)计算粒子间的相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度。 (5)待体系达到平衡,统计获得体系的宏观特性。 分子动力学模拟的主要对象就是将实际物理模型抽象后的物理系统模型。因此,物理建模也是分子动力学模拟的一个重要的环节。而对于分子动力学模拟,主要还是势函数的选取,势函数是分子动力学模拟计算的核心。这是因为分子动力学模拟主要是计算分子间作用力,计算粒子的势能、位置及速度都离不开势函数的作用。系统中粒子初始位置的设定最好与实际模拟模型相符,这样可以使系统尽快达到平衡。另外,粒子的初始速度也最好与实际系统中分子的速度相当,这样可以减少计算机的模拟时间。 要想求解粒子的运动状态就必须把运动方程离散化,离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。这些算法有其各自的优势,选取时可按照计算要求选择最合适的算法。 统计系统各物理量时,便又涉及到系统是选取了什么系综。只有知道了模拟系统采用的系综才能釆用相对应的统计方法更加准确,有效地进行统计计算,减少信息损失。 2. 分子动力学模拟程序流程 具体到分子动力学模拟程序的具体流程,主要包括: (1)设定和模拟相关的参数。 (2)模拟体系初始化。 (3)计算粒子间的作用力。 (4)求解运动方程。 (5)循环计算,待稳定后输出结果。 分子动力学模拟程序流程图如2.3所示。
《装备制造技术》 2007年第 10期 收稿日期 :2007-08-21 作者简介 :申海兰 , 24岁 , 女 , 河北人 , 在读研究生 , 研究方向为微机电系统。 分子动力学模拟方法概述 申海兰 , 赵靖松 (西安电子科技大学机电工程学院 , 陕西西安 710071 摘要 :介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势 , 如Lennard-Jones 势 ; 论述了几种常用的有限差分算法 , 如 Verlet 算法 ; 说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。关键词 :分子动力学模拟 ; 原子间相互作用势 ; 有限差分算法 ; 系综中图分类号 :O3 文献标识码 :A 文章编号 :1672-545X(200710-0029-02 从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法 (molec- ular dynamics simulation , M DS , 实践证明是一种描述纳米科技 研究对象的有效方法 , 得到越来越广泛的重视。所谓分子动力学模拟 , 是指对于原子核和电子所构成的多体系统 , 用计算机模拟原子核的运动过程 , 从而计算系统的结构和性质 , 其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动 [1]。它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段 , 称之为“计算机实验” 手段 [2], 在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。
根据模拟对象的不同 , 将它分为平衡态分子动力学模拟 (EM DS (和非平衡态分子动力学模拟 (NEM DS 。其中 , EM DS 是分子动力学模拟的基础 ; NEM DS 适用于非线性响应系统的模拟 [3]。下面主要介绍 EM DS 。 1分子动力学方法的基本原理 计算中根据以下基本假设 [4]: (1 所有粒子的运动都遵循经典牛顿力学规律。 (2 粒子之间的相互作用满足叠加原理。 显然这两条忽略了量子效应和多体作用 , 与真实物理系统存在一定差别 , 仍然属于近似计算。 假设 N 为模拟系统的原子数 , 第 i 个原子的质量为 m i , 位置坐标向量为 r i , 速度为 v i =r ? i , 加速度为 a i =r ?? i , 受到的作用力为 F i , 原子 i 与原子 j 之间距离为 r ij =r i -r j , 原子 j 对原子 i 的作用力为 f ij , 原子 i 和原子 j 相互作用势能为 ! (r ij , 系统总的势能为 U (r 1, r 2, K r N = N i =1! j ≠ i ! " (r ij , 所有的物理量都是随时 间变化的 , 即 A=A (t , 控制方程如下 : m i r ?? i =F i =j ≠ i
常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-05 作者简介：季红梅（1982—），女，江苏启东人，讲师，工学硕士，研究方向：无机功能材料．水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1，于湧涛2，王露1，王静1，杨刚1 （1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏常熟215500；2.吉林石化公司研究院，吉林吉林132021） 摘要：利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯（RGO ）锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明，180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中，初始放电比容量为1023.6mAh/g （电流密度为40mA/g ），电流密度增加到800mA/g 时，放电比容量维持在406.6 mAh/g ，大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词：Fe 2O 3；石墨烯；负极材料中图分类号：TM911文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后，金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物，理论容量为1005mAh/g ，远高于石墨类材料的理论比容量，已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来，石墨烯由于其高的电传导性，大的比表面积，良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合，提升材料的电化学性能.比如，Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料，改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4，Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究，本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料，并研究了其电化学性能，合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境，并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺（C 6H 12N 2）；无水三氯化铁（FeCl 3）；石墨；硝酸钠（NaNO 3）；浓硫酸（H 2SO 4）；高锰酸钾（KMnO 4）；双氧水（H 2O 2）和盐酸（HCl ），以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜；日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪；德国Bruker Vector 22红外光谱仪；日本JEOL-2000CX 透射电镜；美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪；LAND 电池
纳米石墨烯的特性以及应用 摘要：石墨烯是指从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在石墨烯中，碳原子之间以σ键相连接，这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能；同时，由于碳原子的结合方式为SP2杂化，因此每个碳原子都有一个孤电子，从而赋予了其优秀的导电性。而近年来，纳米石墨烯以及其氧化物，由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积，在生物医药等领域的应用取得了极大的进展，本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性，并举例分析其在生物载药工厂中的作用。 关键词：纳米石墨烯；纳米氧化石墨烯；生物医药；药物传递 一．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性 1.1 纳米石墨烯自身特性 纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆，但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的，而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片，也被称为碳纳米片（ CNFs ）或碳纳米壁（ CNWs）。人们所熟悉的富勒烯，碳纳米管，石墨等碳材料，本质的基础单元就是石墨烯。 石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质，但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能，使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能，杨氏模量为1100Gpa，而断裂强度则达到惊人的125Gpa，这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。 而与此同时，石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小，石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料，人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。 1.2 氧化纳米石墨烯自身特性 氧化纳米石墨烯，英文缩写为GO，顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构，通过强氧化剂（例如高锰酸钾）开环，使得部分双键断裂，引入了许多含氧的官能团，例如羧基，羟基，环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。
高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭 进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 ４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州 ４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １ 石墨烯的改性方法 １．１ 化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２ 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８· 第９期 高 分 子 通 报
河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日
摘要 自从2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。 石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词：石墨烯纳米材料制备复合材料
分子动力学模拟 分子动力学就是一门结合物理,数学与化学的综合技术。分子动力学就是一套分子模拟方法,该方法主要就是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量与其她宏观性质。 这门技术的发展进程就是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法) 1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)、 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步就是确定起始构型,一个能量较低的起始构型就是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要就是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度就是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度就是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之与为零,即保证体系没有平动位移。 由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。 进入生产相之后体系中的分子与分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学与预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能与动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点,计算的样本正就是在这个过程中抽取的。 用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分。 作用势的选择与动力学计算的关系极为密切,选择不同的作用势,体系的势能面会有不同的形状,动力学计算所得的分子运动与分子内部运动的轨迹也会不同,进而影响到抽样的结果与抽样结果的势能计算,在计算宏观体积与微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势,计算系统能量,熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型,对于金属计算,主要采用morse势,但就是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系,与实验不符,因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型,或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但就是对于二体势模型,多体势往往缺乏明确的表达式,参量很多,模拟收敛速度很慢,给应用带来很大困难,因此在一般应用中,通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J,morse等势模型的应用仍非常广泛。 分子动力学计算的基本思想就是赋予分子体系初始运动状态之后,利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算,时间步长就就是抽样的间隔,因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞,体系数据溢出;太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力,因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。但就是通常情况下,体系各自由度中运动周期最短的就是各个化学键的振动,而这种运动对计算某些宏观性质并不产生影响,因此就产生了屏蔽分子内部振动或其她无关运动的约束动力学,约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟时间步长,提高搜索相空间的能
石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。
基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用 摘要：石墨烯作为新型材料在化学、材料等科学领域得到了极大的关注。因其优良的导电性和生物相容性，被广泛的运用到生物传感器的研究中。由于纳米级的石墨烯在水溶液中极易聚沉，所以在使用石墨烯时就需要对其修饰。对石墨烯的修饰包括共价键修饰、非共价键修饰和金属颗粒及金属离子修饰。添加各种修饰过后的石墨烯能增加的灵敏度和降低传感器的检测线。 关键词：石墨烯修饰生物传感器 1、引言 最近，石墨已成为一个迅速崛起的明星在材料科学领域。它的问世引起了全世界的研究热潮。自2004年英国曼彻斯特大学Geim团队首次从石墨中剥离出石墨烯以来，人们便对这种具有独特物化性质的纳米材料寄予厚望。此后关于石墨烯的研究不断出现重要进展，并在材料、化学、微电子、量子物理及生物等众多领域表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，已成为当前研究热点之一。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯是一个二维（平面）晶体，组成单层碳原子排列在蜂巢网络与六元环，为二维碳结构。在概念上石墨烯可以看作是一无限延长二维芳香族大分子。 石墨烯在原子尺度上结构非常特殊。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。而且石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。[1,2] 因此, 石墨烯奇特的物理、化学性质, 也激起了物理、化学、材料等领域科学家极大的兴趣。这篇论文主要介绍了基于石墨烯的纳米材料在电化学生物传感器中的运用。 2、石墨烯的修饰 然而，正如其它的同素异形体的新发现如碳富勒烯和碳纳米管（CNTs），材料可用性和加工一直是限制着石墨烯的应用。对于石墨烯，最关键的挑战，在材料合成与加工的中克服石墨层之间强的π-π型层堆叠剥离能，这种高凝聚力范德
《应用胶体化学》论文大作业 ——石墨烯纳米材料 姓名：杨晓 学号：200900111143 年级：2009级 2011-12-11
摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自 2004 年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。 关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
目录 引言 (4) 一石墨烯纳米材料的理论与实际意义 (4) 二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 (5) 2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 (5) 2.1.1 国外研究 (5) 2.1.2 国内研究 (8) 2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 (11) 三文献中石墨烯纳米材料的研究方案 (11) 3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性 (11) 3.1.1 实验试剂 (11) 3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备 (11) 3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43] (12) 3.2.1 试剂和仪器 (12) 3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备 (12) 3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44] (12) 3.3.1 石墨烯的制备 (12) 3.3.2 制备聚合物基复合材料 (14) 3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45] (14) 3.4.1 石墨烯的制备 (14) 3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备 (15) 3.5 石墨烯的合成与应用[46] (16) 3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage） (16) 3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth） (16) 3.5.3 加热SiC的方法 (17) 3.5.4 化学分散法 (17) 四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 (17) 4.1 石墨烯 (17) 4.2 氧化石墨烯 (18) 4.3 石墨烯/无机物纳米材料 (18) 4.4 石墨烯/聚合物纳米材料 (18) 五展望石墨烯纳米材料的应用前景 (18) 参考文献 (20)
分子动力学模拟基础知识 ? Molecular Dynamics Simulation o MD: Theoretical Background Newtonian Mechanics and Numerical Integration The Liouville Operator Formalism to Generating MD Integration Schemes o Case Study 1: An MD Code for the Lennard-Jones Fluid Introduction The Code, mdlj.c o Case Study 2: Static Properties of the Lennard-Jones Fluid (Case Study 4 in F&S) o Case Study 3: Dynamical Properties: The Self-Diffusion Coefficient ? Ensembles o Molecular Dynamics at Constant Temperature Velocity Scaling: Isokinetics and the Berendsen Thermostat Stochastic NVT Thermostats: Andersen, Langevin, and Dissipative Particle Dynamics The Nosé-Hoover Chain Molecular Dynamics at Constant Pressure: The Berendsen Barostat Molecular Dynamics Simulation We saw that the Metropolis Monte Carlo simulation technique generates a sequence of states with appropriate probabilities for computing ensemble averages (Eq. 1). Generating states probabilitistically is not the only way to explore phase space. The idea behind the Molecular Dynamics (MD) technique is that we can observe our dynamical system explore phase space by solving all particle equations of motion . We treat the particles as classical objects that, at least at this stage of the course, obey Newtonian mechanics. Not only does this in principle provide us with a properly weighted sequence of states over which we can compute ensemble averages, it additionally gives us time-resolved information, something that Metropolis Monte Carlo cannot provide. The ``ensemble averages'' computed in traditional MD simulations are in practice time averages : (99) The ergodic hypothesis partially requires that the measurement time, , i , in the system. The price we pay for this extra information is that we must at least access if not store particle velocities in addition to positions, and we must compute interparticle forces in addition to potential energy. We will introduce and explore MD in this section.
文献阅读报告 文献标题：Size and synergy effects of nanofiller hybrids including graphene nanoplatelets and carbon nanotubes in mechanical properties of epoxy composites 文章来源：Original Research ArticleCarbon, Volume 50, Issue 15, December 2012, Pages 5380-5386 文章作者：S. Chatterjee, F. Nafezarefi, N.H. Tai, L. Schlagenhauf, F.A. Nu ¨esch , B.T.T. Chu A Laboratory for Functional Polymers, EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Du¨bendorf, Switzerland B Department of Materials Science and Engineering, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan C Institut des Mate ′riaux, EPFL, Ecole Polytechnique Fe′de′rale de Lausanne, Lausanne, Switzerland 一、作者所做的内容： 改性多壁碳纳米管与石墨烯微片增强聚芳醚腈复合材料 二、作者此项工作的原因： 聚芳醚腈（PEN），作为特种工程塑料，其具有高强度，高模量，耐高温 等性能，在航天，军工，电子等特殊领域具有广阔的应用前景。聚芳醚腈上的 极性氰基基团具有一定的粘结性，且聚芳醚腈容易成型，因此是制备先进复合 材料的优秀载体。 三、作者的实验原理及步聚： 为了进一步扩大聚芳醚腈在介电，机械以及热学领域的应用价值，本论文 以价格低廉的双酚A型聚芳醚腈为基体，以多壁碳纳米管和石墨烯微片为填料，通过对多壁碳纳米管和石墨烯微片的氰基化改性，有效阻止了多壁碳纳米管和 石墨烯微片的团聚。
石墨烯纳米材料及其应用
石 墨 烯 纳 米 材 料 及 其 应 用 二〇一七年十二月
目录 摘要 (4) 1引言 (4) 2石墨烯纳米材料介绍 (4) 3石墨烯纳米材料吸附污染物 (6) 3.1金属离子吸附 (6) 3.2有机化合物的吸附 (7) 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (9) 4.1石墨烯基膜 (9) 4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (10) 4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (11) 5展望 (12)
摘要 石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（Fig.1）。在石墨烯平面内，碳原子以六元环形式周期性排列，每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子
Gromacs中文教程 淮海一粟 分子动力学（MD）模拟分为三步：首先，要准备好模拟系统；然后，对准备好的系统进行模拟；最后，对模拟结果进行分析。虽然第二步是最耗费计算资源的，有时候需要计算几个月，但是最耗费体力的步骤在于模拟系统准备和结果分析。本教程涉及模拟系统准备、模拟和结果分析。 一、数据格式处理 准备好模拟系统是MD最重要的步骤之一。MD模拟原子尺度的动力学过程，可用于理解实验现象、验证理论假说，或者为一个待验证的新假说提供基础。然而，对于上述各种情形，都需要根据实际情况对模拟过程进行设计；这意味着模拟的时候必须十分小心。 丢失的残基、原子和非标准基团 本教程模拟的是蛋白质。首先需要找到蛋白质序列并选择其起始结构，见前述；然后就要检查这个结构是否包含所有的残基和原子，这些残基和原子有时候也是模拟所必需的。本教程假定不存在缺失，故略去。 另一个需要注意的问题是结构文件中可能包含非标准残基，被修饰过的残基或者配体，这些基团还没有力场参数。如果有这些基团，要么被除去，要么就需要补充力场参数，这牵涉到MD的高级技巧。本教程假定所有的蛋白质不含这类残基。 结构质量 对结构文件进行检查以了解结构文件的质量是一个很好的练习。例如，晶体结构解析过程中，对于谷氨酰胺和天冬酰胺有可能产生不正确的构象；对于组氨酸的质子化状态和侧链构象的解析也可能有问题。为了得到正确的结构，可以利用一些程序和服务器(如 WHATIF)。本教程假定所用的结构没有问题，我们只进行数据格式处理。 二、结构转换和拓扑化 一个分子可以由各个原子的坐标、键接情况与非键相互作用来确定。由于.pdb 结构文件只含有原子坐标，我们首先必须建立拓扑文件，该文件描述了原子类型、电荷、成键情况等信息。拓扑文件对应着一种力场，选择何种力场对于拓扑文件的建立是一个值得仔细考虑的问题。这里我们用的是GROMOS96 53a6连接原子力场，该力场对于氨基酸侧链的自由能预测较好，并且与NMR试验结果较吻合。