JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Hiilinanoputkilla on monia mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten niiden sähköiset ja magneettiset ominaisuudet. Tässä tutkielmassa hiilinanoputkia tutkittiin käyttäen laskennallista ¹²⁹Xe NMR:ää. Nanoputkia mallinnettiin tiheysfunktionaaliteoriaa käyttäen sekä Clar-rakenteina että periodisin menetelmin.

Käytetyt Clar-rakenteet olivat neljän jakson mittaisia ja niiden rakenne sekä ksenonin sijainti putken läheisyydessä optimoitiin ennen ¹²⁹Xe-atomin NMR-varjostustensorin laskemista. Tutkitut hiilinanoputket olivat kiraalisuuksiltaan (5, 3), (5, 4), (6, 4), (6, 5), (7, 5), (7, 6), (8, 6), (8, 7), (9, 7) ja (9, 8). Varjostuslaskuissa käytettiin GIAO-menetelmää ja otettiin spin-ratavuorovaikutus huomioon, eli laskenta oli relativistista. Tehtyjen testien perusteella hamiltonin, funktionaalin ja ksenonin kantajoukon valinta oli onnistunut. Lisäksi laskettiin kantajoukon superpositiovirheen vaikutus testisysteemien varjostusparametreihin skalaarirelativistisesti ja todettiin sen vaikutus erityisesti päätuloksiin, eli kemiallisen siirtymän trendeihin, merkityksettömäksi.

Työssä havaittiin, että halkaisijaltaan pienen hiilinanoputken sisällä ollessaan ksenonin kemiallinen siirtymä vapaan ksenonin varjostukseen verrattuna on suuri ja positiivinen. Putken halkaisijan kasvaessa kemiallinen siirtymä pienenee ja muuttuu suurempien hiilinanoputkien sisäpuolella negatiiviseksi. Ksenonin ollessa hiilinanoputken ulkopuolella putken halkaisijalla ei ole vaikutusta ksenonin sijaintiin eikä siksi myöskään sen kemialliseen siirtymään, joka pysyy lähes vakiona tutkituissa systeemissä. Näistä trendeistä eroaa vain (9, 7), jonka ulkopuolella olevan ksenonin kemiallinen siirtymä on selkeästi suurempi kuin missään muussa tutkituista systeemistä. Syytä tälle ei vielä tiedetä. Varjostuksen anisotropia on pienten hiilinanoputkien sisällä olevalle ksenonille suuri ja negatiivinen, mutta pienenee järjestelmällisesti putken halkaisijan kasvaessa. Ksenonin ollessa hiilinanoputken ulkopuolella anisotropian kehitys riippuu putken kiraalisuusasteesta. Myös varjostuksen asymmetriat raportoitiin, mutta sen kehitykselle hiilinanoputken halkaisijan funktiona ei löydetty selkeitä trendejä.

Periodisesti mallinnetut hiilinanoputket olivat (6, 5) ja (7, 6). Myös niistä optimoitiin ensin putken geometria ja ksenonin sijainti ennen varjostustensorin laskemista. Laskuissa käytettiin GIPAW-menetelmää ja ne tehtiin skalaarirelativistisesti. Koska laskennassa käytetyt funktionaalit ja hamiltonit sekä ksenonin optimoituneet sijainnit eivät olleet vastaavia kuin Clar-rakenteita käytettäessä, saadut varjostusparametrit eivät sellaisenaan olleet vertailukelpoisia niiden kanssa. Saatujen tulosten perusteella voidaan kuitenkin olettaa, että vastaavia funktionaaleja ja hamiltoneja käytettäessä varjostusparametrit olisivat olleet samansuuntaisia.

Tutkimuksen perusteella äärelliset Clar-rakenteet sopivat Xe-NMR mallinnukseen.