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近几十年来，设备的小型化一直是推动电子工业发展的主要趋势。小型化电子设备自然涉及到纳米材料。纳米材料与较大的同类材料相比，除了减少原材料的使用量之外，还具有更多的卓越性能。比如一维无机纳米管因其独特的物理/化学性质在气体分离和捕获、催化、润滑、药物输送等领域就可实现体材难以实现的功能，因而具有广阔的应用前景。在纳米管的合成制备方面，除了众所周知的碳纳米管外，还有为数众多的无机纳米管。诸如MoS2等单壁纳米管可以合成，但其通常与许多多壁管一起出现，在半径和壁厚方面都存在一定范围的波动，这可能对纳米管的应用和其性能发挥带来影响。目前还很难合成、制备具有特定半径和可控理化特性的单壁纳米管，以致近年来单壁无机纳米管的合成路线成为研究热点。而对于哪种材料能够制造出单壁无机纳米管还缺乏深入研究。
来自丹麦技术大学能源转换与储存系的Felix T. Bölle和物理系的Kristian S. Thygesen等，使用密度泛函理论系统计算了135种不同的无机纳米管。他们发现，每一种纳米管包含三层原子，其中由15种不同的阳离子组成中间层元素，内外原子层由硫素、卤素或它们的混合物作为阴离子占据。通过分析135种纳米管的稳定性和最优纳米管半径，确定了纳米管的形成机理。研究发现，对于含有等价阴离子的纳米管，内外两个原子层之间的晶格失配导致了纳米管的形成；而对于含有非等价阴离子的纳米管，材料内部较短的吡啶-硫键和外部较长的吡啶-卤键之间的化学键强度差异引起的空间效应导致了纳米管的形成。此外，利用二维两面和交替纳米片之间的能量差作为描述符，可以很好地估计出最小应变能。同时，可以使用贝叶斯统计来评估预测半径的不确定性。该研究阐明了二维双面纳米片卷曲的物理机制，并给出了一种合成小半径纳米管的可能途径。该文近期发表于npj Computational Materials 7: 41 (2021)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Structural and chemical mechanisms governing stability of inorganic Janus nanotubes
Felix T. Bölle , August E. G. Mikkelsen, Kristian S. Thygesen , Tejs Vegge and Ivano E. Castelli
One-dimensional inorganic nanotubes hold promise for technological applications due to their distinct physical/chemical properties, but so far advancements have been hampered by difficulties in producing single-wall nanotubes with a well-defined radius. In this work we investigate, based on Density Functional Theory (DFT), the formation mechanism of 135 different inorganic nanotubes formed by the intrinsic self-rolling driving force found in asymmetric 2D Janus sheets. We show that for isovalent Janus sheets, the lattice mismatch between inner and outer atomic layers is the driving force behind the nanotube formation, while in the non-isovalent case it is governed by the difference in chemical bond strength of the inner and outer layer leading to steric effects. From our pool of candidate structures we have identified more than 100 tubes with a preferred radius below 35 Å, which we hypothesize can display distinctive properties compared to their parent 2D monolayers. Simple descriptors have been identified to accelerate the discovery of small-radius tubes and a Bayesian regression approach has been implemented to assess the uncertainty in our predictions on the radius.
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