CC BY
5
УДК 544.2
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА
Панченко Александра Николаевна
Студентка Волгоградского государственного университета
alexandra 1889@mail. ru
В работе изучено внедрение атомов Li и Na в полимерную матрицу пиролизованного полиакрилонитрила. Установлено наиболее стабильное расположения внедренных атомов щелочных металлов в межплоскостном пространстве полимера. Основные расчеты для изучения структуры и свойств ППАН с щелочными металлами проводились с помощью метода DFT с потенциалом B3LYP и PBE, отдельные расчеты проводились с помощью расчетной схемы MNDO [1]. Проведенные расчеты внедрения атомов щелочных металлов (лития, натрия) через боковую поверхность установили факт возможности заполнения межслоевого пространства ППАН данными металлами, так как для проникновения в структуру полимера наблюдаются небольшие энергетические барьеры. Обнаружено, что наличие атомов металлов в структуре ППАН вызывает изменение ширины запрещенной зоны, что приводит к изменению проводящих свойств полученного нанокомпозита.
Ключевые слова: пиролизованный полиакрилонитрил, полимерная матрица, щелочные металлы, метод DFT, расчетная схема MNDO.
STUDY OF THE STRUCTURE OF A METAL COMPOSITE BASED ON PI-ROLIZED POLYACRYLONITRILE
Panchenko Alexandra Nikolaevna
Volgograd State University, student alexandra 1889@mail.ru
The paper studies the introduction of Li and Na atoms into the polymer matrix of pyrolyzed polyacrylonitrile. The most stable arrangement of the embedded alkali metal atoms in the interplane space of the polymer was established. Basic calculations for the study of the structure and properties of the polymer with alkali metals were carried out using the DFT method with the potential B3LYP and PBE, separate calculations were carried out using the MNDO calculation scheme. The calculations carried out on the introduction of alkali metal atoms (lithium, sodium) through the side surface established the fact of the possibility of filling the interlayer space of the PPAN with these metals, since small energy barriers are observed to penetrate the polymer structure. It was found that the presence of metal atoms in the structure of PPAN causes a change in the width of the band gap, which leads to a change in the conductive properties of the resulting nanocomposite.
Keywords: pyrolyzed polyacrylonitrile, polymer matrix, alkali metals, DFT method, MNDO calculation
scheme.
В электронных устройствах могут использоваться новые материалы, которые представляют собой металлоуглеродные нанокомпозиты. Ранее было установлено получение таких структур на основе углеродных нанотрубок и графена. Но в настоящее время в наноматериаловедении начинают использовать и другие структуры. Для получения нанополимерных маталлокомпозитов необходим полимер, который имеет структуру "запутанных"
длинных цепей макромолекул, которые могут образовать сшитую пространственную структуру и взаимодействовать с помощью химических реакций с металлами, при этом образуется комплекс, который препятствует диффузии и объединению металлических атомов в кластеры. Данная структура и химическая активность ВМС позволяет проводить процесс образования металлических наночастиц под контролем. Среди полимеров широко распространенным и
перспективным является пиролизованныи полиакрилонитрил (ППАН), благодаря своим уникальным электронным и физико-химическим свойствам [2-5]. ППАН может выступает в качестве полимерной матрицы для получения металлокомпозита на его основе. В работе рассматривались атомы лития и натрия. Для изучения и моделирования процесса заполнения полимера атомами металла был рассмотрен
двухслойный пиролизованный полиакрилонитрил. Слои полимера включали в себя 20% атомов азота, расстояние между слоями выбиралось равным 3,4 А [6]. Для встраивания в матрицу полимера атомы металла приближались к фиктивной точке, расположенной в межслоевом пространстве, через торцевую часть кластера с шагом 0.1 А. Данный механизм внедрения позволил построить зависимость энергии от расстояния (Рис.1.).
-21 21,5 ■22 -22,5 ■ -23 Я ™ 23,5 -24 -21,5 -25 -25,5
2 3 4 5 6
К, А. _1
Рис. 1. Энергетическая зависимость процесса внедрения атомов лития и натрия в полимерную матрицу пиролизованного полиакрилонитрила
Анализируя данную зависимость, можно установить, что для проникновение в матрицу полимера атомы металла преодолевают энергетический барьер высотой Еа, попав в межслоевое пространство полимера атомы металла располагаются в стабильном положении на расстоянии К от границы слоя. Следует заметит, что пик потенциального барьера, при внедрении атома лития, находится на расстоянии 0,8 А снаружи слоев полимера, а для атома натрия внутри межслоевого пространства на расстоянии 0,2 А от края слоя.
Таким образом расчеты установили, что заполнение матрицы полимера атомами металлов возможно, данный факт подтверждается
небольшими значениями величины
энергетических барьеров, которые преодолевают атомы при внедрении в структуру ППАН.
Далее было рассмотрено множественное заполнение полимерной матрицы. Изучено два способа заполнения:
1) атом металла пошагово двигался через торцевую поверхность по линии, соединяющей его с атомом, находящимся в полости полимера;
2) атом металла пошагово приближался через торцевую поверхность вдоль линии, соединяющей его с фиктивным атомом, расположенным от встроенного атома на расстоянии согласно значению кристаллической решетки (рис.2).
Рис. 2. Способы заполнения матрицы полимера атомами лития и натрия
Выполненные расчеты установили, что заполнение полимерной матрицы возможно только во втором случае. При реализации механизма заполнения по первому способу наблюдается следующее: внедряемый атом старается занять стабильное положение между слоями полимера, при этом вытесняет находящийся внутри атом.
Далее было изучено влияние расположения внедренных атомов лития и натрия на стабильность полученных металлокомпозитов. Рассматривались следующие структуры: 1) атомы металла были расположены между слоями в одной плоскости вдоль ломанной линии; 2) атомы располагались в одной плоскости вдоль прямой линии; 3) атомы Ме располагались в двух различных плоскостях параллельных друг другу; 4) расположение атомов лития и натрия с чередованием вдоль ломанной линии; 5) расположение атомов лития и калия с
чередованием вдоль ломанной линии; 6) расположение атомов натрия и калия с чередованием вдоль ломанной линии.
Выполненные расчеты всех
предложенных металлополимерных
нанокомпозитов позволили установить, что все предложенные плоские слои полимерной матрицы, после взаимодействия с металлами изменили свою геометрию. Рассчитанные значения энергии связи новых комплексов сравнимы со значением для чистого полимера . Это свидетельствует о стабильности образованных металлокомпозитов. Изучение электронно-энергетического строения
нанокомпозитов показало, что наличие металлических атомов в матрице полимера приводит к уменьшению ширины запрещенной щели по сравнению с шириной исходного полимера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эварестов Р.А., Квантово-химические методы в теории твердого тела / Р. А. Эварестов. - Л.: ЛГУ, 1982. - 280 с.
2. Помогайло, А.Д. Наночастицы металлов в полимерах / А. Д. Помогайло, А. С. Розенберг, И. Е. Уфлянд - М.: Химия, 2000. 672 с.
3. Запороцкова И.В. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила/ И.В. Запороцкова [и др.] // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2014. Т. 17. № 12. С. 134-142.
4. Какорина О.А. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила с внедренными в межслоевое пространство атомами щелочноземельных металлов / Какорина О.А., Запороцкова И.В., Кожитов Л.В.// В сборнике: Физика и технология наноматериалов и структур Сборник научных статей 3-й Международной научно-практической конференции. В 2-х томах. 2017. С. 225-231.
5. Anikeev N. A. Theoretical studies of the structure of the metal - carbon composites on the base of acryle - nitrile nanopolimer / N. A. Anikeev, I. V. Zaporotskova,L. V. Kojitov, O.A. Davletova, A.V. Popkova// Journal of nano and electronic phisics. - 2014. - Vol. 6. - No 3.- P. 03035-03036.
6. Давлетова О.А. Структура и электронные характеристики пиролизованного полиакрилонитрила// Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.-2010.-140 с.
