深度解讀如何穩(wěn)住納米管的小半徑？

近幾十年來(lái)，設(shè)備的小型化一直是推動(dòng)電子工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。小型化電子設(shè)備自然涉及到納米材料。納米材料與較大的同類材料相比，除了減少原材料的使用量之外，還具有更多的卓越性能。

比如一維無(wú)機(jī)納米管因其獨(dú)特的物理/化學(xué)性質(zhì)在氣體分離和捕獲、催化、潤(rùn)滑、藥物輸送等領(lǐng)域就可實(shí)現(xiàn)體材難以實(shí)現(xiàn)的功能，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在納米管的合成制備方面，除了眾所周知的碳納米管外，還有為數(shù)眾多的無(wú)機(jī)納米管。

諸如MoS2等單壁納米管可以合成，但其通常與許多多壁管一起出現(xiàn)，在半徑和壁厚方面都存在一定范圍的波動(dòng)，這可能對(duì)納米管的應(yīng)用和其性能發(fā)揮帶來(lái)影響。目前還很難合成、制備具有特定半徑和可控理化特性的單壁納米管，以致近年來(lái)單壁無(wú)機(jī)納米管的合成路線成為研究熱點(diǎn)。而對(duì)于哪種材料能夠制造出單壁無(wú)機(jī)納米管還缺乏深入研究。

來(lái)自丹麥技術(shù)大學(xué)能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存系的Felix T. B?lle和物理系的Kristian S. Thygesen等，使用密度泛函理論系統(tǒng)計(jì)算了135種不同的無(wú)機(jī)納米管。他們發(fā)現(xiàn)，每一種納米管包含三層原子，其中由15種不同的陽(yáng)離子組成中間層元素，內(nèi)外原子層由硫素、鹵素或它們的混合物作為陰離子占據(jù)。

通過(guò)分析135種納米管的穩(wěn)定性和最優(yōu)納米管半徑，確定了納米管的形成機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于含有等價(jià)陰離子的納米管，內(nèi)外兩個(gè)原子層之間的晶格失配導(dǎo)致了納米管的形成；而對(duì)于含有非等價(jià)陰離子的納米管，材料內(nèi)部較短的吡啶-硫鍵和外部較長(zhǎng)的吡啶-鹵鍵之間的化學(xué)鍵強(qiáng)度差異引起的空間效應(yīng)導(dǎo)致了納米管的形成。

此外，利用二維兩面和交替納米片之間的能量差作為描述符，可以很好地估計(jì)出最小應(yīng)變能。同時(shí)，可以使用貝葉斯統(tǒng)計(jì)來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)半徑的不確定性。該研究闡明了二維雙面納米片卷曲的物理機(jī)制，并給出了一種合成小半徑納米管的可能途徑。 該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 7： 41 （2021），英文標(biāo)題與摘要如下，

Structural and chemical mechanisms governing stability of inorganic Janus nanotubes

Felix T. B?lle ， 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 ?， 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.

編輯：jq