ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЮМИНИЯ С ПИРОЛИЗОВАННЫМ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЮМИНИЯ С ПИРОЛИЗОВАННЫМ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛОМ

И.А. Какорин, студент

Волгоградский государственный университет

DOI:10.24412/2500-1000-2022-10-2-203-207

Аннотация. Рассматривалось внедрение атомов алюминия в структуру пиролизован-ного полиакрилонитрила. Выполненные расчеты позволили установить геометрические параметры, а также электронно-энергетические характеристики, полученных композитов. Квантово-химические расчеты осуществлялись методом DFT с потенциалом B3LYP.

Ключевые слова: пиролизованный полиакрилонитрил, полимерная матрица, алюминий, метод DFT, металлополимерный композит.

Полимеры последние десятилетия востребованы во всех отраслях, начиная от зубной щетки и заканчивая космическим кораблем. Но развитие современных технологий требует также открытие новых материалов с уникальными свойствами. Как известно на основе запутанных полимерных цепей с добавлением туда различных веществ можно получить новые композиты уже с другими физико-химическими свойствами. При этом, наблюдается еще и экономическая выгода, получить новые структуры на основе полимера намного дешевле, чем использовать известные материалы, так как полимерное сырье имеет низкую стоимость.

В настоящее время бурно развивается наноэлектроника. В связи с этим идет поиск новых структур, которые будут отвечать определенным требованиям. В нано-электроники уже используются соединения на основе графена и углеродных тубу-ленов. Поэтому можно предложить использовать и полимерные структуры. В чистом виде полимеры не способны удовлетворить требованиям наноэлектроники, но могут выступать в качестве основы для

получения металлокомпозитов. Химическая активность и пространственная структура полимеров при взаимодействии с металлами позволяет получить новые уникальные материалы. Среди полимеров наиболее перспективным является пироли-зованный полиакрилонирил, благодаря своим уникальным электронным и физико-химическим свойствам [1-5].

Исследование свойств пиролизован-ного полиакрилонитрила с атомом алюминия

Для изучения геометрических параметров и расчета электронно-энергетических свойств нанокомпозита на основе ППАН была предложена структура монослоя пи-ролизованного полиакрилонитрила с ва-кансионным дефектом, в центре которого располагался атом алюминия. В качестве исследуемой структуры рассматривается модель молекулярного кластера в состав которого входит 8,71% азота от общего числа атомов. Вакансионный дефект смоделирован примерно в середине слоя, чтобы ослабить влияние краевых эффектов. Предложенная структура показана на рисунке 1.

Рис. 1. Расположение атома алюминия в матрице ППАН

Проведенные расчеты оптимизации геометрии системы «ППАН + атом А1» позволили получить пространственную конфигурацию кластера нанокомпозита. По представленным результатам было обнаружено, что плоскость монослоя ППАН

искривилась незначительно (рис. 2). После полной оптимизации системы были образованы новые гексагональные связи между атомом алюминия и прилежащих к нему атомов полимера. Длины связей показаны на рисунке 3 а.

а) б)

Рис. 2. Полимерная матрица ППАН с атомом алюминия: а) вид сверху; б) вид сбоку

а) б)

Рис. 3. Основные характеристики полимера: а) приведенные данные о длинах связи после оптимизации; б) зарядовое распределение на атомах композита

Теоретические расчеты определили ши- ченного нанокомпозита Е =6 12 ЭВ Срав-

рину запрещенной зоны Л^=МэВ и п°з- нение данного параметра! со значением волили установить Энергию связи полу- Энергии связи полимера позволяет сделать

вывод о стабильности полученной структуры. Примесный атом алюминия влияет на ширину запрещенной зоны, приводит к ее уменьшению. Изучение распределения заряда в структуре показало, что атом алюминия содержит на себе главный положительный заряд, соседние атомы заряжены отрицательно (рис. 3б).

Внедрение в структуру полимера двух атомов алюминия

В следующей серии расчетов в плоскость монослоя ППАН встраивались по

два атома алюминия. Рассматривалось три различных варианта: 1 - атомы алюминия располагались в середине вакансии на расстоянии 2,4 А друг относительно друга; 2 - атомы алюминия располагались на расстоянии 3,59 А друг относительно друга, между ними был расположен атом углерода; 3 - атомы алюминия располагались на расстоянии 3,59 А друг относительно друга, между атомами был расположен атом азота. Рассмотренные варианты показаны на рисунке 4.

Рис. 4 Варианты расположения атомов алюминия в матрице пиролизованного

полиакрилонитрила.

Изучение геометрической структуры после выполненных расчетов показало, что внедрение атомов алюминия в полимерную матрицу приводит к искривлению плоских монослоев. Атом алюминия при внедрении в слой полимера образует химические связи с атомами полимера (рис. 5). Рассчитанная энергия связи позволяет сделать вывод о стабильности дан-

ных структур. Основные электронно-энергетические характеристики представлены в таблице 1. Зарядовое распределение показало, что на атомах металла сфокусирован главный электрический заряд системы. Атомы ЛЬ заряжены положительно, ближайшие атомы являются отрицательно заряженными.

Рис. 5 Различное расположение атомов алюминия в структуре пиролизовонного полиак-

рилонитрила (вид сверху и вид сбоку).

Таблица 1. Энергия связи и ширина запрещенной зоны композитов на основе ППАН с атомами алюминия

Система E , эВ AE эВ

ППАН 7,61 3.3

ППАН+Al (вариант 1) 4,99 1.17

ППЛН+Al (вариант 2) 4,91 0,95

ППЛН+Al (вариант 3) 5,31 0,78

прещенной зоны композита «ППАН+А1» с данным параметром исходного полимера показало, что включение атомов металла в структуру пиролизованного полиакрило-нитрила приводит к уменьшению этого значения.

Квантово-химические расчеты методом DFT показали возможность внедрения атомов алюминия в структуру полимера -пиролизованного полиакрилонитрила. Рассчитанная энергия связи новых метал-локомпозитов показывает стабильность данных структур. Сравнение ширины за-

Библиографический список

1. Какорина О.А. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила с внедренными в межслоевое пространство атомами щелочноземельных металлов / О.А. Какорина, И.В. Запороцкова, Л.В. Кожитов // 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.

2. Kakorina O.A. Simulation of pyrolysed polyacrylonitrile based composite with amorphising boron additives / O.A. Kakorina, I.V. Zaporotskova, I.A. Kakorin, L.V. Kozhitov // Journal of Physics: Conference Series. Applied Mathematics, Computational Science and Mechanics: Current Problems. - 2020. - С. 012131.

3. Pyrolyzed polyacrylonitrile based composite with amorphizing silicon additives / Kakorina O., Zaporotskova I., Kakorin I., Ermakova T., Kozhitov L. // В сборнике: Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies, MWENT 2020 - Proceedings. - 2020. -С.9067360.

4. Theoretical studies of the structure of the metal-carbon composites on the base of acryle-nitrile nanopolimer / I.V. Zaporotskova, L.V. Kojitov, O.A. Davletova [et al.] // Журнал нано- и электронной физики. - 2014. - Vol. 6. - №3. - P. 03035.

5. Помогайло, А.Д. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А С. Розенберг, И.Е. Уфлянд - М.: Химия, 2000. - 672 с.

6. Wangxi Z, Jie L, Gang W. Evolution of structure and prop-erties of PAN precursors during their conversion to carbon fibers // Carbon. 2003. V. 41, Iss. 14. P. 2805-2812. DOI: 10.1016/S0008-6223(03)00391-924.

7. Sanchez-Soto P.J., Aviles M.A., del Rio J.C., Gines J.M., Pascual J., Perez- Rodriguez J.L. Thermal study of the effect of sev-eral solvents on polymerization of acrylonitrile and their subsequent pyrolysis // J. Anal. Appl. Pyrolysis. - 2001. - V. 58-59. - P. 155-172. DOI: 10.1016/S0165-2370(00)00203 -5.

8. Запороцкова И.В., Кожитов Л.В., Аникеев Н.А., Давлетова О.А., Муратов Д.Г., Попкова А.В., Якушко Е.В. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2014. - Т. 17, №2. - С. 134-142. DOI: 10.17073/1609-3577-2014-2-134-142.

INTERACTION OF ALUMINUM WITH PYROLYZED POLYACRYLONITRILE

I.A. Kakorin, Student Volgograd State University

Abstract. The introduction of aluminum atoms into the structure of pyrolyzed polyacryloni-trile was considered. The calculations performed made it possible to establish geometric parameters, as well as electronic and energy characteristics of the obtained composites. Quantum-chemical calculations were carried out by the DFT method with the potential B3LYP.

Keywords: pyrolyzed polyacrylonitrile, polymer matrix, aluminum, DFT method, metal-polymer composite.