Investigação de primeiros princípios de estruturas de carbono com ligações sp2 e sp3.

Abstract

Alótropos nanoestruturados de carbono têm atraído a atenção de muitos pesquisadores nas últimas décadas. Entre estes alótropos, o grafeno tem sido intensivamente investigado devido suas interessantes propriedades que podem levar a várias aplicações tecnológicas. Outro alótropo de carbono que tem sido muito estudado são os nanotubos de carbono (CNTs). Eles apresentam potencial para aplicações em nanotecnologia, eletrônica, óptica e outras áreas de ciências dos materiais. A combinação de tais materiais podem resultar em estruturas híbridas com novas propriedades interessantes ou eles poderiam melhorar as propriedades que impedem a sua real aplicação, como por exemplo a manipulação de uma única folha de grafeno. Neste trabalho, empregamos cálculos de Primeiros Princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) dentro da Aproximação de Gradiente Generalizado (GGA), como implementado no programa SIESTA, para investigar nanoestruturas compostas por nanotubos de carbono, grafeno e fitas de grafeno de poucas camadas. Observamos que uma estrutura híbrida composta por 4 camadas de grafeno e um nanotubo de carbono (10,0) é a estrutura energeticamente mais estável entre aqueles que combinam tubo e algumas camadas de grafeno. A presença do tubo modifica a resistência mecânica do grafeno e tal estrutura híbrida é ferromagnética, apesar de ser feita de apenas átomos de carbono. Reconstruções de bordas foram observadas quando a estrutura híbrida foi esticada até o seu colapso, o que nos leva a investigar a estrutura de poucas camadas de bordas de grafeno. Um padrão no qual átomos das extremidades de algumas camadas de fitas grafeno formam pentágonos e heptágonos foi identificado. Com base em tal padrão, geramos fitas de grafeno com 3, 4, 5 e 6 camadas. No que diz respeito à estabilidade energética de tais estruturas, notou-se que elas são energeticamente mais estáveis do que nanotubos de carbono (10,0) e C60, os quais existem na natureza. Essas estruturas também têm características ferromagnéticas, que podem ser associadas com a presença de defeitos topológicos, heptágonos e pentágonos, e suas conexões sp2 e sp3.