Estudo computacional de nanofilamentos de carbono e suas estruturas derivadas

Abstract

Nanoestruturas de carbono têm sido estudadas amplamente nas últimas décadas, apresentando propriedades interessantes e mostrando potencial para elevar os patamares do desenvolvimento tecnológico. A mais recente adição a este grupo são os denominados nanofilamentos de diamante ou nanofilamentos de carbono, nanoestruturas unidimensionais (1D) criadas a partir da compressão do benzeno cristalino, cuja estrutura e propriedades se assemelham às do diamante, em particular sua elevada resistência mecânica. Nesta tese, serão apresentados resultados de diversos estudos desenvolvidos sobre nanofilamentos de diamante, buscando melhor entender estas nanoestruturas, avaliar de maneira mais precisa suas propriedades, e expandir a ideia de utilizar moléculas aromáticas para a construção de novas nanoestruturas de carbono, com propriedades diferenciadas que levem a aplicações práticas. Em um primeiro momento, confirmamos a grande resistência mecânica do material utilizando cálculos de primeiros princípios, além de mostrar que simulações de dinâmica molecular com potenciais interatômicos tradicionais levam a predições com grande discrepância em alguns casos. Em sequência, propomos novas estruturas similares aos nanofilamentos de diamante, derivadas de outras moléculas aromáticas, que permitiram a introdução de heteroátomos e grupos funcionais na estrutura a. Suas propriedades mecânicas e eletrônicas foram determinadas, mostrando poucas alterações em relação aos nanofilamentos originais, porém as novas nanoestruturas mostram um potencial maior para aplicações em compósitos devido à possibilidade de melhorar as interações destes com outros materiais devido à presença de grupos funcionais. Finalmente, propomos a criação de nanoestruturas bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) análogas, utilizando dois princípios: um consiste na substituição do benzeno por moléculas aromáticas policíclicas na criação da estrutura, e outro no arranjo de domínios pré-existentes de nanofilamentos interconectados entre si. As estruturas resultantes são nanoporosas e apresentaram um conjunto interessante de propriedades, como alta resistência mecânica, elevada flexibilidade, distribuição de tamanho de poros bem definida e grande área superficial. Este estudo mostra que nanofilamentos de diamante e estruturas derivadas formam um novo conjunto de materiais com grande potencial de aplicação prática em nanocompósitos, sensores, dispositivos nanoeletromecânicos (NEMS), adsorventes, entre outros, devido à sua interessante combinação de propriedades mecânicas, leveza e características estruturais.

Carbon nanostructures have been widely studied over the last decades, exhibiting interesting properties and potential to raise the standards of technological development. The latest addition to the group are the so called diamond nanothreads or carbon nanothreads, one dimensional structures created from compression of crystalline benzene, characterized by diamond-like structure and properties, particularly mechanical strength. In this thesis, we present the results of a series of studies on diamond nanothreads, aiming to improve the understanding of these nanostructures and their properties, and to suggest the use of other aromatic molecules to create novel carbon nanostructures. In a first study, we confirmed that these materials exhibit excellent mechanical properties using first principles calculations, and showed that discrepancies on computed properties and mechanical behavior may arise in molecular dynamics simulations using traditional empirical interatomic potentials. In a second study, we proposed the creation of diamond nanothread-like structures from other aromatic molecules, which allowed the insertion of heteroatoms and functional groups in the threads. We evaluated the mechanical and electronic properties of these structures and found no significant differences compared to the original diamond nanothreads, but they show greater potential for application in composites due to enhanced interactions caused by the presence of functional groups. Finally, we proposed the creation of analogous 2D and 3D nanostructures, using two distinct principles: one consisted in the use of polycyclic aromatic molecules to construct the material, and the other was based in interconnecting preexistent diamond nanothread domains through direct covalent bonding. The resulting structures are nanoporous and exhibit an interesting combination of properties including high mechanical strength, high flexibility, well-defined pore size distribution and large superficial area. This thesis shows that diamond nanothreads and derived nanostructures consist in a new group of materials with great potential for practical application in several areas, such as nanocomposites, sensors, nanoelectromechanical systems, adsorbents, and others, due to their interesting combination of mechanical properties, lightness and unique structure features.