Влияние дефектов и радикалов на электронные, оптические и адсорбционные свойства малых углеродных кластеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Салем Махмуд Али Абдуллах Мохамед

• Салем Махмуд Али Абдуллах Мохамед
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Салем Махмуд Али Абдуллах Мохамед

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Обзор литературы

1.1. Введение

1.2. Структурные и электронные свойства фуллеренов

1.3. Структурные и электронные свойства призманов

1.4. Призманы, декорированные ионами металлов и их использование для обнаружения и захвата углекислого газа

Выводы по материалам первой главы

ГЛАВА 2 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

2.1. Уравнение Шредингера

2.2. Метод Хартри-Фока (НР)-точный обмен

2.3. Уравнения Кона-Шэма

2.4. Самосогласованный подход к уравнениям Кона-Шэма

2.5. Базовые наборы

Выводы по результатам второй главы

ГЛАВА 3 Взаимодействие допантов и функциональных групп на

поверхности углеродных фуллеренов

3.1. Допированные углеродные фуллерены

3.2. Определение эффективного взаимодействия допантов

и функциональных групп

3.2.1. Допированные фуллерены СП-1Х

3.2.2. Фуллерены с функциональной группой СПУ

3.3. Эффективное взаимодействие допантов на поверхности фуллерена

3.4. Эффективное взаимодействие функциональных групп

на поверхности фуллерена

3.5. Влияние температуры

3.6. Влияние деформации углеродного скелета

3.7. Влияние функциональных групп на устойчивость фуллерена С20

3.8. Влияние замещающих атомов бора, германия и магния (В, Ое, М^) на электронные свойства фуллерена С20

3.8.1. Электронные свойства структур С18Х2 , С18ХУ (Х,У=В, Ое, М§)

3.8.2. Химическая активность структур С18Х2 и С18ХУ (Х,У=В, Ое, Мв)

3.9. Влияние допирования кремнием на свойства

углеродных фуллеренов

3.9.1. Электронные свойства

3.9.2. Поляризуемость

Выводы по результатам третьей главы

ГЛАВА 4 Влияние функциональных групп на электронные свойства

углеводородных призманов

4.1. Углеводородные призманы и их устойчивость

4.1.1. Геометрические структуры призманов

4.1.2. Энергии связи и НОМО-ЬиМО щели призманов

4.1.3. Призманы с одной функциональной группой

4.1.4. Пентапризман с несколькими функциональными группами

4.2. Нитропроизводные силапризмана

4.3. Влияние допирования на кремниевые бипризманы

4.4. Адсорбция ионов металлов на углеродные призманы

для обнаружения газов

4.4.1. Адсорбция ионов металлов на призманы

4.4.2. Адсорбция газов на исходные и декорированные металлами призманы

4.4.3. Влияние температуры на адсорбцию газов

4.4.4. Оптические свойства призманов, декорированных ионом металла для адсорбции СО2

4.5. Адсорбция ионов металлов на кремниевые призманы

4.5.1. Кремниевые призманы, декорированные ионами металлов

4.5.2. Адсорбция газов на декорированные металлами призманы

4.5.3. Оптические свойства кремниевых призманов, декорированных ионом металла для адсорбции СО2

Выводы по результатам четвертой главы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В последние десятилетия было открыто множество новых форм углерода, среди которых имеются Ш, 2Э и 3Э материалы. Особое место в этом ряду занимают углеродные кластеры - фуллерены и призманы. Благодаря малому размеру и напряженному сильно искривленному каркасу, они обладают большей адсорбционной способностью и меньшей энергией формирования различных дефектов по сравнению с протяженными структурами. Настоящая диссертация посвящена исследованию электронных и адсорбционных свойств таких кластеров и их производных.

Углеродные фуллерены известны уже несколько десятилетий. Они весьма устойчивы и являются основой для большого семейства производных с широким спектром характеристик и применений. Допирование и функционализация - два традиционных способа создания производных фуллеренов. Допирование предполагает введение неуглеродных элементов в ^-гибридизированный фуллереновый каркас. Функционализация подразумевает присоединение к фуллереновому каркасу различных лигандов, радикалов или функциональных групп.

Допирование часто используется для «настройки» электронных и адсорбционных свойств углеродных фуллеренов. Атомы многих химических элементов могут быть встроены в углеродный каркас без значительных структурных искажений. Самые популярные допирующие примеси - соседи углерода в периодической таблице Менделеева, атомы которых имеют размер, близкий к размеру атома углерода. Это бор, азот, алюминий, кремний и фосфор.

Помимо замещающих атомов, в фуллеренах возможны структурные дефекты. Трансформация Стоуна-Уэльса - основной дефект с наименьшей

энергией активации, возникающий в углеродных структурах с яр-гибридизацией - фуллеренах, нанотрубках, графене и др. Его можно представить как поворот одной из углерод-углеродных связей на угол, близкий к прямому, что приводит к искажению углеродного скелета: образованию двух четырехугольников и двух шестиугольников на поверхности фуллерена. Возникновение такого дефекта увеличивает реактивность ¿р2-гибридизованной углеродной поверхности.

Вероятность формирования дефекта Стоуна-Уэльса при некоторой температуре определяет энергетический барьер, препятствующий появлению этого дефекта. Хотя величина барьера в фуллеренах значительно ниже, чем в графене и нанотрубках, она является все-таки слишком высокой для направленного органического синтеза. Понижение энергетического барьера возможно за счет замещающего допирования или функционализации. В настоящей диссертации подробно исследованы возможности такого понижения барьера вблизи допантов и функциональных групп.

Взаимодействие дефектов и функциональных групп может играть важную роль при использовании дефектных и функционализированных фуллеренов. Такое взаимодействие может определять структуру низкоэнергетических изомеров с несколькими дефектами или функциональными группами и их адсорбционные и оптические свойства. В настоящей диссертации рассматриваются взаимодействие дефектов и функциональных групп; показано, что энергия таких взаимодействий может достигать 1 эВ, что составляет заметную долю от типичной энергии ковалентной связи.

Предельным случаем малых фуллеренов являются углеродные призманы. Призманы С2пН2п представляют собой высокодеформированные углеводороды, состоящие из двух соединенных полигональных углеродных колец. Призманы всегда имеют высокие значения энергии деформации из-за

больших отклонений их валентных углов от тетраэдрического и высокой симметрии при отсутствии возможности релаксации. Это определяет их высокую реакционную способность. При этом радиус кривизны поверхности призмана достигает значений, сопоставимых с длиной углерод-углеродной связи, что недостижимо в фуллеренах.

Подобно другим формам углерода, призманы сильно взаимодействуют с ионами металлов. Однако в отличие от фуллеренов и графена, призман обеспечивает большую активность присоединенного иона металла. Это позволяет рассматривать декорированные металлом призманы в качестве эффективных адсорбентов углекислого газа. Углекислый газ является парниковым газом, который оказывает вредное воздействие на окружающую среду из-за его возрастающей концентрации в воздухе. В настоящей диссертации показано, что призманы, связанные с ионами металлов, способны селективно адсорбировать С02 из смеси дымовых газов (метан, азот).

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является исследование влияния дефектов и функциональных групп на структурные, электронные и адсорбционные характеристики углеродных фуллеренов и призманов, а также эффективного взаимодействия дефектов и функциональных групп друг с другом. Для достижения заявленной цели диссертации были решены следующие задачи:

1. Теория функционала плотности была применена для изучения эффективного взаимодействия между допирующими атомами (В, К, Б1, Р) и функциональными группами (Н, Б, С1, ОН) на поверхности углеродных фуллеренов.

2. Было исследовано влияние функциональных групп (Н, С1, F или ОН) на энергию формирования дефекта Стоуна-Уэльса в углеродных фуллеренах (на примере наименьшего фуллерена в котором этот дефект легче всего образуется).

3. Рассчитаны структуры, энергии связи и граничные орбитали углеводородных призманов С2^2п (п = 3-10) и их производных, в которых часть атомов водорода замещены радикалами. Рассмотрены пять замещающих радикалов С1, СН3, OH, NO2).

4. Теоретически исследована адсорбция молекул углекислого газа и других дымовых газов (метан, азот) на призманы, декорированные ионами Li+, Na+, K+, Be2+, Mg2+ и Са2+. Установлено, что ион Be2+ обеспечивает наилучшую энергию адсорбции СО2 и селективность по сравнению с другими ионами.

5. Проведено сравнение электронных, адсорбционных и оптических характеристик углеродных призманов с их кремниевыми аналогами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Закономерности эффективного взаимодействия замещающих атомов и функциональных групп на поверхности углеродных фуллеренов; рассчитанные энергии этого взаимодействия с учетов вкладов различных составляющих - деформации углеродного скелета, непосредственного кулоновского взаимодействия, изменения энергии связи между фуллереном и функциональной группой;

2. Закономерности изменения энергий граничных орбиталей углеводородных призманов при постепенном замещении атомов водорода функциональными группами; структуры низкоэнергетических изомеров призманов с несколькими присоединенными функциональными группами;

3. Рассчитанные энергии связи и оптические спектры углеродных и кремниевых призманов, декорированных ионами металлов и адсорбирующих молекулы газов N2, С02, ИН^ утверждение о возможности селективной адсорбции углекислого газа на призманах, декорированных ионом Ве2+.

Научная новизна

1. Впервые систематически исследовано эффективное взаимодействие адсорбатов на поверхности фуллерена; показано, что сильное взаимодействие возможно даже на расстояниях порядка диаметра фуллерена.

2. Впервые найдены низкоэнергетические изомеры для производных углеводородных призманов с различными концентрациями замещающих функциональных групп.

3. Впервые рассмотрены структуры на основе призманов и иона бериллия; продемонстрирована способность этих систем к селективной адсорбции молекул углекислого газа.

Практическая значимость

Почти все применения фуллеренов и призманов подразумевают их взаимодействие с допантами или функциональными группами. Наличие допантов/функциональных групп позволяет контролировать электронные, оптические, адсорбционные свойства фуллеренов и призманов, их растворимость, биологическую и химическую активность. Большинство исследователей рассматривали углеродные структуры, модифицированные допантами/функциональными группами одного типа, тогда как взаимодействие допантов/функциональных групп разных типов почти не рассматривалось. В настоящей диссертации мы теоретически исследовали эффективное взаимодействие взаимодействие допантов/функциональных

групп разных типов на поверхности фуллеренов и призманов и объяснили общие закономерности строения таких систем.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние дефектов и радикалов на электронные, оптические и адсорбционные свойства малых углеродных кластеров»

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на 8 семинарах, совещаниях и конференциях:

1. VII International youth scientific school-conference "Modern problems of physics and technology"; НИЯУ МИФИ, Москва; 16-21 апреля 2018.

2. VI Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы УМЗНМ-2018»; Уфа, Россия; 1-4 октября 2018.

3. 5-th International inference «Laser, plasma research and technology LAPLAZ-2019»; НИЯУ МИФИ, Москва; 12-15 февраля 2019.

4. VIII International youth scientific school-conference "Modern problems of physics and technology"; НИЯУ МИФИ, Москва; 15-20 апреля 2019.

5. 10-я Научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ электроники «Мокеровские чтения»; НИЯУ МИФИ, Москва; 15-16 мая 2019.

6. International Conference «NAN0MEETING-2019»; Minsk, Belarus; 21-24 May 2019.

7. II Международная конференция молодых ученых, работающих в области углеродных материалов «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология»; Москва, г. Троицк; 15-16 мая 2019.

8. 12-я Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ электроники «Мокеровские чтения»; НИЯУ МИФИ, Москва; 19-20 мая 2021.

Вклад автора

Излагаемые результаты получены автором лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Вклад автора состоит в том, что им построены атомистические модели дефектных и допированных углеродных кластеров; выбраны подходящие методы их компьютерного моделирования; установлено и настроено соответствующее программное обеспечение; проведена обработка полученных данных и визуализация результатов численных экспериментов; установлены основные закономерности, описывающие связь между структурой и свойствами исследуемых кластеров; сформулированы основные результаты, выводы и научные положения диссертации; проведена интерпретация, систематизация, обобщение и описание полученных результатов и подготовлены тексты публикаций с их описанием.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 работ из них в научных журналах, рекомендованных ВАК - 1, в журналах реферативной базы «Scopus» - 7, в журналах реферативной базы «Web of Science» - 6.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Работа изложена на 145 страницах, содержит 46 рисунков и список цитируемой литературы из 105 наименований.

Основное содержание работы

Во введении описана актуальность изучения дефектных и функционализированных углеродных кластеров (фуллеренов и призманов), сформулированы цель и задачи работы в контексте современного состояния исследований.

В первой главе представлен обзор публикаций по теме диссертационной работы, рассмотрены известные структуры углеродных кластеров, систематизированы сведения об взаимодействии дефектов и радикалов в таких структурах, а также о влиянии дефектов и радикалов на их электронные и адсорбционные характеристики.

Во второй главе описаны вычислительные методы, используемые в работе, в частности, детали применяемой разновидности теории функционала плотности и прикладного программного пакета, используемого для расчетов.

В третьей главе описаны результаты исследования взаимодействия допантов и функциональных групп на поверхности углеродных фуллеренов, влияние температуры на это взаимодействие и вклад энергии деформации углеродного скелета. Рассчитаны энергия формирования и структура дефекта Стоуна-Уэльса в фуллерене С2о, допированном одной из функциональных групп Н, С1, F и ОН.

В четвертой главе описано влияние функциональных групп на электронные свойства углеводородных призманов. Также проиллюстрированы изменения геометрической структуры призманов, энергии связи, и НОМО-ШМО щели в призманах после замещения атомов водорода функциональными группами. Кроме того, исследована адсорбция ионов металлов на углеродные и кремниевые призманы и проведен анализ эффективности разных ионов в системе «призман+ион» для детектирования и адсорбции углекислого газа.

В заключении содержатся основные выводы по результатам диссертационной работы.

Основные публикации по теме диссертации

1. Salem M.A., Grishakov K.S., Gimaldinova M.A. Quantum-chemical study of structural Stone-Wales defect in functionalized fullerene C20 // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2018. Vol. 45, № 8. P. 227-229.

2. Gimaldinova M.A., Katin K.P., Salem M.A., Maslov M.M. Energy and electronic characteristics of silicon polyprismanes: density functional theory study // Letters on Materials. 2018. Vol. 8, № 4, P. 490-501.

3. Salem M.A. Ab initio study of hydrocarbon prismanes and their substituted derivatives // Chemical Physics. 2019. Vol. 518. P. 25-29.

4. Salem M.A., Gimaldinova M.A., Kochaev A.I., Katin K.P., Ryzhuk R.V., Kargin N.I., and Maslov M.M. Nitro-derivatives of silaprismanes as high-energy compounds: theoretical study // International Journal of Nanoscience. 2019. Vol. 18. P. 1940047.

5. Salem M.A. Density functional study of the electronic properties of doped C20 fullerene // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1435, № 1. P. 012068.

6. Salem M.A., Katin K.P., Kaya S., Kochaev A.I., Maslov M.M. Interaction of Dopants and Functional Groups Adsorbed on Carbon Fullerenes: Computational Study // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2020. Vol. 124. P. 114319.

7. Salem M.A., Gimaldinova M.A., Kochaev A.I., Maslov M.M. Doping effect on electronic structure and optical properties of silicon biprismanes: DFT and TD-DFT studies // Letters on Materials. 2020. Vol. 10, № 3. P. 294-298.

ГЛАВА 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Введение

Углерод является одним из самых распространенных элементов во вселенной и в земной коре. Из-за разнообразия форм углерода, он существует в виде множества аллотропных форм, среди которых особенно распространены 3D кристаллы (алмаз и графит), 2D графеновые листы, Ш углеродные нанотрубки и 0D молекулы фуллерена. Последние обычно принимают форму полых сфер или эллипсоидов. Классификация углеродных материалов по их размерности показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема классификации углеродных материалов по их размерности.

1.2. Структурные и электронные свойства фуллеренов

С момента открытия С60 в 1985 году [1], фуллерены привлекают большой интерес из-за потенциальной возможности их применения для создания катализаторов [2], систем хранения водорода [3], топливных элементов [4], биосенсоров [5] , биоинженерных устройств [6] и нанобиотехнологий. Благодаря уникальной геометрии и необычным химическим и физическим свойствам, которых нет у обычных углеродных аллотропов, фуллерены открыли новую область исследований в сфере нанонауки и нанотехнологий [7]. Уникальная структура фуллеренов позволяет использовать их в качестве необходимых строительных блоков при создании функциональных наноматериалов.

В отличие от кластерных наночастиц, фуллерены имеют хорошо воспроизводимую форму в виде высокосимметричных многогранников. Согласно теореме Эйлера, возможно огромное число различных фуллереновых каркасов, содержащих подходящее количество пятиугольных и гексагональных колец. Хотя наиболее устойчивыми являются фуллерены С60 и С70, было синтезировано множество высших, низших и неклассических фуллеренов [8].

Среди этих фуллеренов С60 является наиболее распространенным фуллереном, имеющим структуру усеченного икосаэдра. Форма фуллерена напоминает футбольный мяч. Он состоит из 60 углеродных атомов, образующих 12 гексагональных и 20 пентагональных граней. Углеродные фуллерены, в отличие от традиционных углеродных аллотропов, растворимы в воде и многих органических растворителях.

Фуллерены демонстрируют множество очень необычных электронных свойств. В частности, на их основе предсказан сверхпроводящий материал. Твердый кристалл на основе фуллерена С60 может быть преобразован в сверхпроводник путем включения в его структуру атомов щелочных металлов [9]. С 1991 года ведутся исследования по сверхпроводимости С60; на его основе

- 14 -

были получены с удивительными свойствами [10]. Помимо первичных фуллеренов, металлофуллерены также проявляют сверхпроводящие свойства твердом фуллерене на основе допированного металлами C60 [11].

Дефекты в фуллеренах были исследованы в связи с их важной ролью в термической устойчивости фуллерена и термоактивируемых переходах между дефектными изомерами [12]. Инкапсуляция атомов металла внутрь каркаса фуллеренов обеспечивает новый подход к получению высокосимметричных эндоэдральных фуллеренов, которые улучшают электронные свойства исходных углеродных фуллеренов [13]. Добавление в фуллерены неуглеродных добавок приводит к формированию гетерофуллеренов с настраивымыми электронными свойствами. Были изучены спектральные свойства гетерофуллеренов, определены их инфракрасный, рамановский и ЯМР-спектры, которые позволили получить спектральную сигнатуру этих молекулярных структур [14] и использовать их для создания дополнительных фотоактивных слоев в солнечных элементах [15].

Впервые фуллерен С60 был синтезирован с помощью сфокусированного импульсного лазера методом испарения углеродных частиц с поверхности твердого графита в потоке гелия с высокой плотностью [1]. После развития технологии синтеза фуллеренов путем лазерного испарения углерода в инертной атмосфере возникла необходимость в новых методах синтеза, обеспечивающих большой выход фуллерена С60. В частности, сейчас используется дуговой нагрев графита и лазерное облучение полиароматических углеводородов. Фуллерены широко исследуются с тех пор, как был показан простой способ их производства, а также обнаружена сверхпроводимость в соединении со щелочными металлами. В 1990 году был найден дешевый способ получения фуллерена - Кречмер и соавторы разработали дешевую методику получения фуллерена со степенью очистки около 98%. Данный метод сейчас широко применяется и состоит в испарении графита с помощью электрического разряда в инертной атмосфере с

последующим отделением фуллеренов с помощью растворителей и хромотографии. Это позволило создавать порошок фуллерена в объемах, достаточных для обеспечения ученых необходимым материалом для исследований. После этого физические и химические свойства фуллерена стали активно исследоваться с целью найти его возможную область применения.

После открытия фуллерена в газовой фазе, чистый Сбо был синтезирован в твердой форме, содержащей неупорядоченную гексагональную плотную упаковку фуллеренов [16]. Он был произведен путем испарения чистого графитав атмосфере гелия под давлением около 100 торр. После соскабливания полученной черной сажи с собирающих поверхностей внутри испарительной камеры и диспергирования ее в бензоле, сажу отделяли от жидкости и дополнительно высушивали, получая темно-коричневый остаток черного кристаллического материала - фуллерита.

Несмотря на широкую распространённость, фуллерен Сбо не является самым маленьким фуллереном, который может быть получен. Сравнительно недавно был получен другой меньший фуллерен (С3б) методом электрического дугового разряда [17]. После синтеза Сб0 и более крупных фуллеренов методом ионно-лучевого облучения были эффективно получены самые маленькие фуллерены С20 в газовой фазе [18]. Этот фуллерен содержит только пятиугольные кольца, поэтому меньшие кластеры уже не являются классическими фуллеренами. Некоторые из них имеют форму призманов.

Многие научные исследования были сосредоточены на изучении производных углеродных фуллеренов [19, 20]. Исследования показали, что атомы допирующей примеси могут взаимодействовать с фуллереновыми каркасами с образованием трех видов гетерофуллеренов [21]: эндоэдрических фуллеренов с атомами, захваченными внутри полой фуллереновой клетки [22], экзоэдрических фуллеренов с атомами, расположенными вне каркаса [23], и,

наконец, замещенных фуллеренов с инородными атомами, встроенными в фуллереновый каркас [24].

Допирование часто используется для настройки электронных и адсорбционных свойств углеродных фуллеренов. Синтез допированных фуллеренов получил широкое распространение с 1990-х годов. Среди основных методов синтеза можно выделить лазерное испарение источников с четко определенным составом C:X [25] и реакции термического замещения [26]. Также могут применяться лазерная абляция [27], термический отжиг [28] или дуговое испарение [29] графита в газовой атмосфере. В последнее время были предложены некоторые передовые стратегии производства допированных фуллеренов [30].

Допированные фуллерены могут быть полезны во многих приложениях. Сами фуллерены довольно химически инертны, тогда как введение других элементов в углеродный каркас обеспечивает прочную связь с разными лигандами. В частности, допированные фуллерены используются в качестве систем доставки лекарств [31], потому что атомы углерода около допированного центра становятся более реактивными [32]. Кроме того, фуллерены, допированные бором и азотом, демонстрируют лучшую подвижность электронов и дырок, чем недопированные фуллерены [33]. Они также обладают большей способностью накапливать водород и лучшей каталитической активностью (например, для окисления CO [34] или дегидрирования кластеров MXH4 [35]).

Одиночная молекула фуллерена может быть допирована одним, двумя или более атомами.Если количество допирующих добавок равно двум или более, возможно большое количество изомеров, соответствующих различным относительным положениям этих допирующих добавок [36]. Такие изомеры могут обладать несколько разными свойствами.

Недавние рентгеновские исследования клеток C58B2 показали, что их спектры сильно зависят от типа изомера [37]. Ab initio исследование изомеров C18N2 предсказало большие вариации их устойчивости. Разница энергий между изомерами составляла порядка сотен мэВ [12]. Следовательно, только некоторые изомеры с низкой энергией могут быть получены при высоких температурах. Разница в энергии между изомерами может быть описана с точки зрения эффективного взаимодействия примесей, внедренных в углеродный каркас. Понимание деталей такого взаимодействия помогает найти относительное положение примесей в изомерах с низкой энергией и предсказать свойства допированных фуллеренов. Аналогичным образом функциональные группы, прикрепленные к фуллереновому каркасу, также взаимодействуют друг с другом. Более глубокое понимание их взаимодействия дает информацию об их относительном положении и основных моделях функционализации. В общем, эффективное взаимодействие между допирующими добавками или функциональными группами может зависеть от их типов и концентраций, а также от размера и кривизны фуллеренового каркаса.

Детали эффективного взаимодействия примесей и дефектов могут быть неясными и противоречивыми. Например, атомы азота демонстрируют отталкивание в додекаэдрическом углеродном каркасе [12], тогда как различные пары некоторых других допирующих примесей (Al и N; Ga и N; Al и P; Ga и P) предпочитают пара-положение в пределах одного и того же углеродного шестиугольника [38]. Если рассматривать три или более допантов, их взаимодействие может быть существенно непарным. Однако типичные концентрации примесей редко предполагают наличие более двух допирующих атомов на один фуллерен.

Результаты моделирования [39] показывают, что электронные свойства

допированного кремнием фуллерена C20 зависят не только от концентрации

кремния, но и от пространственного распределения этих примесей на

- 18 -

поверхности фуллерена C20. Настройка электронных свойств системы путем добавления кремния приводит к значительному улучшению требуемых электронных свойств исходного фуллерена C20 для эффективного использования полученных углеродно-кремниевых структур в приложениях наноэлектроники и при создании солнечных элементов.

Ф. Н. Аджил выполнил первопринципные расчеты структурных и электронных свойств фуллерена С20 допированного германием [40]. Эффект допирования был исследован путем изменения количества допирующих примесей Ge и рассмотрения множества позиций допирования для одного и того же числа атомов германия. Электронные свойства получившейся системы изменяются от полупроводниковых к металлическим по мере увеличения количества допирующих примесей. Обнаружено, что ширина запрещенной зоны максимальна, когда допирующие примеси Ge размещены в соседних узлах фуллерена, вследствие нарушения симметрии кольца. Запрещенные зоны закрываются, когда допирующие примеси Ge помещаются в диаметрально противоположные позиции. Отмечено, что изомеры, выделенные путем выбора различных положений допирования, существенно различаются по длине связи, ширине запрещенной зоны и химической устойчивости [40].

Д. Пол и др. исследовали стабильность и реакционную способность двух допированных переходным металлом (Cu, Zn) структур фуллерена C20 методом теории функционала электронной плотности [41]. Ими было обнаружено, что энергетическая щель с системах C19Cu и C19Zn увеличивается по отношению к первичному C20, что делает оба допированных фуллерена более химически стабильными, чем их исходный фуллерен. Параметры реактивности, такие как химическая твердость, химический потенциал и индекс электрофильности для этих структур также были рассчитаны. Расчеты показывали, что допированные фуллерены подчиняются как принципу

максимальной твердости, так и принципу минимальной электрофильности [41].

А. С. Рад и др. выполнили первопринципные расчеты для структуры и электронных свойств фуллерена С20 и переходных металлов (хрома, никеля и титана), допирующих фуллерен [42]. Анализ распределения заряда показывает, что допирование переходным металлом изменяет распределение заряда внутри фуллерена C20. Изменения более выражены при допировании Ti, а затем идут Сг и Ni, соответственно. Первая гиперполяризуемость фуллерена С20 заметно увеличивается при допировании переходными металлами. Первая гиперполяризуемость TiC19 на три порядка выше, чем у чистого фуллерена. Рассмотрение плотности электронных состояний и анализ пограничных молекулярных орбиталей подтверждают значительную орбитальную гибридизацию при допировании фуллереном С20 металлом [42].

Ф. Демирай исследовал методом теории функционала плотности структурные и электронные свойства N2O4, адсорбированного на фуллерене C20 [43]. Наиболее стабильные четыре структуры были получены без каких-либо ограничений симметрии путем выполнения полной структурной оптимизации. Энергии адсорбции для этих оптимизированных стабильных структур оказались равны -3,16, -3,35, -3,27 и -3,18 эВ для метода LDA и -2,26, -2,61, -2,51 и -2,27 эВ для метода PBE. Эти рассчитанные значения показывают, что имеет место хемосорбция. Рассчитанные значения энергетической щели были равны 1,46, 1,41, 1,21 и 1,28 эВ для метода LDA и 1,45, 0,34, 0,86 и 1,25 эВ для метода PBE, соответственно. Можно ожидать, что исследование, касающееся адсорбции N2O4 на поверхностях C20, послужит руководством для будущих экспериментальных и теоретических исследований, связанных с новым гибридным полупроводниковым материалом [43].

Фуллереновый каркас может потерять структурную устойчивость при введении мультивакансионных дефектов. Напротив, дефекты Стоун-Уэльса являются обычными конфигурациями дефектов в фуллеренах и увеличивают химическую активность фуллерена по сравнению с бездефектной системой. В 2012 г. А. И. Подливаев и др. теоретически изучили механизмы образования дефекта Стоуна-Уэльса и свойства метастабильного изомера фуллерена, возникающего в результате рождения этого дефекта [44]. Они обнаружили, что в фуллерене C46 присутствуют дефектные изомеры с восьмиугольными, девяти- и десятиугольными углеродными циклами. Поскольку образование этих дефектных изомеров требует разрыва только одной связи C-C, энергетические барьеры для формирования таких дефектов являются относительно низкими и, следовательно, вероятность образования таких дефектных изомеров достаточно высока [44].

К. П. Катин и др. в 2018 г. применили теорию функционала плотности для изучения механизма образования дефектов Стоуна-Уэльса в незамещенных и допированных азотом додекаэдрических фуллеренах С20 [12]. Они получили молекулярные структуры идеальных и дефектных фуллеренов, а также разделяющие их переходные состояния. В зависимости от количества атомов азота и их относительного положения на поверхности фуллерена, дефект Стоун-Уэльса формировался либо непосредственно, либо через одно дополнительное промежуточное состояние. Энергетический барьер активации образования дефектов снижается с 4,93 эВ в чистом C20 до 2,98 эВ в C19N и достигает ~ 2 эВ при дальнейшем допировании азотом. Согласно выводам работы [12], все рассматриваемые допированные азотом фуллерены обладают высокой кинетической стабильностью при комнатной температуре, но становятся значительно менее стабильными при температурах около 750 К.

1.3. Структурные и электронные свойства призманов

Призманы можно рассматривать как аналог фуллеренов, содержащих четырехугольные циклы. Призманы C2nH2n представляют собой высоконапряженные углеводороды, состоящие из двух объединенных многоугольных углеродных колец. Призманы всегда имеют высокие значения энергий деформации из-за больших отклонений их углов связи от тетраэдрической и высоких симметрий в отсутствие возможностей для подтверждения подтверждения. Самым известным представителем призманов считается кубан C8H8 - молекула в форме куба, синтезированная Итоном в 1964 году.

В последнее время постоянно предпринимаются активные усилия по разработке новых материалов, обладающих хорошей термостойкостью, ударопрочностью, лучшими эксплуатационными характеристиками, экономичными и экологически чистыми синтезами для удовлетворения требований будущих военных и космических применений. Энергетические материалы широко используются как в гражданских, так и в военных целях [45]. Призманы - это материалы с высокой плотностью энергии (HEDMs), которые привлекли значительное внимание благодаря способности запасать большое количество энергии [46]. В частности, азотные производные углеводородного кубана обеспечивают очень высокую плотность энергии, вплоть до 4346 кДж/моль [47].

В дополнение к применению призманов в качестве энергетических веществ, существуют их фармацевтические применения в медицине. Например, дипивалоилкубан - кубан, функционализированный кето-, циано-и амидными группами, - проявляет активность в отношении вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), который вызывает СПИД, не повреждая здоровые клетки. Кроме того, фенилкубан демонстрирует противораковую активность [48].

Из-за их напряженного скелета, трудно выбрать благоприятные условия для их синтеза кубанов [49]. Несмотря на многочисленные попытки синтеза вышеупомянутых соединений, к настоящему времени экспериментально получен только ограниченный набор призманов. Трипризман [50] был синтезирован путем объединения бензвалена с 4-фенилтриазолиндионом. Филип Э. Итон и Томас В. Коул впервые синтезировали кубан, используя N бромсукцинимид с 2-циклопентеноном в качестве радикально-инициируемой реакции [51]. Что касается роли реакции переноса циклобутадиена, то при помощи этой реакции удобно синтезировать кубановую систему [52]. Помимо синтеза углеводородного кубана, фтор успешно применяют для фторирования производных кубана и экспериментально наблюдают стабильные фторированные призманы [53]. Пентапризман [54] может быть синтезирован путем заключения гомопентапризмана в пентапризман с использованием реакции Фаворского.

Синтез высших [п]призманов с п = 6-10 продолжает бросать вызов экспериментаторам. Несмотря на то, что они пока не синтезированы, во многих недавних исследованиях призманы были исследованы теоретически с помощью квантово-химических подходов. Изучены структуры и стабильность трипризмана СбНб [55], кубана С8Н8 [56], пентапризмана С10Н10 [57], гексапризмана С12Н12 [57, 58], гептапризмана С14Н14 и октапризмана С1бН1б [58] в газовой фазе. Было установлено, что призманы имеют перспективу использования в энергнетике из-за лучших энергетических свойств по сравнению с обычными энергетическими соединениями [47].

Несмотря на высокое напряжение, призманы демонстрируют замечательную кинетическую стабильность, которая уменьшается с ростом их размеров [59]. Кроме того, они могут участвовать в химических реакциях, приводящих к образованию различных производных кубана, таких как нитрокубаны [б0], нитроксикубаны [б1]и хлоркубаны [б2].

Молекулярно-динамическое моделирование и исследования профилей потенциальной энергии подтверждают умеренную стабильность более сложных производных призманов, таких как циклотетракубил (С8Н6)4 [63], гекса-би-призмана С18Н12 [64] и гиперкубана С40Н24 [65]. Таким образом, призманы могут быть использованы в качестве основы для новых стабильных молекул и материалов.

В частности, с помощью молекулярно-динамическо моделирования с потенциалом сильной связи была проанализирована термическая стабильность углеродных [n,5] призманов с n = 2-4 в широком диапазоне температур. Установлено, что энергия активации изомеризации, а также частотный фактор в уравнении Аррениуса для этих метастабильных наноструктур быстро убывают с увеличением n. Поэтому увеличение эффективной длины [n,5] призмана приводит к уменьшению его времени жизни вплоть до момента его изомеризации. Тем не менее,стабильность призманов [n, 5] оказывается достаточной для их существования при температуре жидкого азота [59].

Ричард Райан М. и соавторы [61, 66] впервые представили результаты исследования серии нитрозокубанов с использованием теории функционала плотности. Они предсказали энтальпии образования и удельные энтальпии горения, а также колебательные спектры и оптимизированную геометрию этих систем. Исходя из полученных результатов, октанитрозокубан может выделять больше энергии, чем октанитрокубан. Учитывая сложность синтеза октанитрокубана, октанитрозокубан может оказаться жизнеспособным альтернативным высокоэнергетическим материалом, при условии, что его удастся синтезировать более простым методом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Салем Махмуд Али Абдуллах Мохамед, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Kroto H. W. et al. C60: Buckminsterfullerene // Nature. 1985. Vol. 318. P. 162-

163.

2. Jose-Yacaman M. et al. Catalytic growth of carbon microtubules with fullerene

structure // Applied Physics Letters. 1993. Vol. 62, № 6. P. 657-659.

3. Pupysheva O. V., Farajian A. A., Yakobson B. I. Fullerene Nanocage Capacity

for Hydrogen Storage // Nano Letters. 2008. Vol. 8, № 3. P. 767-774.

4. Gao F. et al. Nitrogen-Doped Fullerene as a Potential Catalyst for Hydrogen Fuel

Cells // Journal of the American Chemical Society. 2013. Vol. 135, № 9. P. 3315-3318.

5. Afreen S. et al. Functionalized fullerene (C60) as a potential nanomediator in the

fabrication of highly sensitive biosensors // Biosensors and Bioelectronics. 2015. Vol. 63. P. 354-364.

6. Pacosova L. et al. Is Fullerene a Nonmetal Catalyst in the Hydrogenation of

Nitrobenzene? // ChemCatChem. 2011. Vol. 3, № 1. P. 154-156.

7. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and

Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications. Elsevier Science, 1996. P.

8. Wang Z., Zhang J. Deposition of hard elastic hydrogenated fullerenelike carbon

films // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 109, № 10. P. 103303.

9. VARMA C. M., ZAANEN J., RAGHAVACHARI K. Superconductivity in the

Fullerenes // Science. 1991. Vol. 254, № 5034. P. 989-992.

10. Larsson S. TCDependence on Hubbard U in the Fullerenes // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2015. Vol. 28, № 2. P. 315-317.

11. Guan J., Tomanek D. Can CF3-Functionalized La@C60 Be Isolated Experimentally and Become Superconducting? // Nano Letters. 2017. Vol. 17, № 6. P. 3402-3408.

12. Katin K. P., Maslov M. M. Stone-Wales defects in nitrogen-doped C 20 fullerenes: Insight from ab initio calculations // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018. Vol. 96. P. 6-10.

13. Zhu Y., Li Y., Yang Z. Q. First-principles investigation on the electronic structures of intercalated fullerenes M3N@C80 (M=Sc, Y, and lanthanides) // Chemical Physics Letters. 2008. Vol. 461, № 4-6. P. 285-289.

14. Srivastava A. K., Pandey S. K., Misra N. Structure, energetics, spectral and electronic properties of B3N3C54 heterofullerene // Journal of Nanostructure in Chemistry. 2016. Vol. 6, № 2. P. 103-109.

15. Li Y. et al. Fullerene-Based Photoactive Layers for Heterojunction Solar Cells:

Structure, Absorption Spectra and Charge Transfer Process // Materials. 2015. Vol. 8, № 1. P. 42-56.

16. Krätschmer W. et al. Solid C60: a new form of carbon // Nature. 1990. Vol. 347,

№ 6291. P. 354-358.

17. Piskoti C., Yarger J., Zettl A. C36, a new carbon solid // Nature. 1998. Vol. 393.

P. 771-774.

18. Wang Z. et al. A new carbon solid made of the world's smallest caged fullerene C20 // Physics Letters A. 2001. Vol. 280, № 5. P. 351-356.

19. Paulus B. Electronic and structural properties of the cage-like molecules C20 to

C36 // Physical Chemistry Chemical Physics. 2003. Vol. 5, № 16. P. 3364.

20. Echegoyen L., Echegoyen L. E. Electrochemistry of Fullerenes and Their Derivatives // Accounts of Chemical Research. 1998. Vol. 31, № 9. P. 593-601.

21. Lu G. et al. Geometric and electronic structures of metal-substitutional fullerene

C59Sm and metal-exohedral fullerenes C60Sm // The Journal of Chemical Physics. 2006. Vol. 124, № 5. P. 054305.

22. Clemmer D. E., Shelimov K. B., Jarrold M. F. Gas-phase self-assembly of endohedral metallofullerenes // Nature. 1994. Vol. 367, № 6465. P. 718-720.

23. Roth L. M. et al. Evidence for an externally bound iron+-buckminsterfullerene complex, FeC60+, in the gas phase // Journal of the American Chemical Society. 1991. Vol. 113, № 16. P. 6298-6299.

24. Branz W. et al. Cage substitution in metal-fullerene clusters // The Journal of Chemical Physics. 1998. Vol. 109, № 9. P. 3425-3430.

25. Ray C. et al. Synthesis and Structure of Silicon-doped Heterofullerenes // Physical Review Letters. 1998. Vol. 80, № 24. P. 5365-5368.

26. Golberg D. et al. Single-walled B-doped carbon, B/N-doped carbon and BN nanotubes synthesized from single-walled carbon nanotubes through a substitution reaction // Chemical Physics Letters. 1999. Vol. 308, № 3-4. P. 337-342.

27. Nakamura T. et al. Synthesis of heterofullerenes by laser ablation // Physical Chemistry Chemical Physics. 1999. Vol. 1, № 10. P. 2631-2633.

28. Sheng Z. H. et al. Catalyst-free synthesis of nitrogen-doped graphene via thermal annealing graphite oxide with melamine and its excellent electrocatalysis // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 6. P. 4350-4358.

29. Jia Y. F., Zhu Q., Thomas K. M. Synthesis of nitrogen-doped fullerenes by vaporization of graphite and characterization using NEXAFS and temperature programmed combustion // Chemical Physics Letters. 2002. Vol. 364, № 1 -2. P. 171-175.

30. Xin N. et al. Fullerene doping: preparation of azafullerene C59NH and oxafulleroids C59O3 and C6004 // Angewandte Chemie International Edition. 2012. Vol. 51, № 25. P. 6163-6166.

31. Moradi M., Nouraliei M., Moradi R. Theoretical study on the phenylpropanolamine drug interaction with the pristine, Si and Al doped [60] fullerenes // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2017. Vol. 87. P. 186-191.

32. Antonietti M., Müllen K. Chemical synthesis and applications of graphene and

carbon materials. 2016. P. 1-256.

33. Goldberg A. et al. Estimation of electron and hole mobility of 50 homogeneous fullerene amorphous structures (C60, C58B2, C58N2 and C58NB) using a percolation corrected Marcus theory model // Organic Electronics. 2020. Vol. 78. P. 105571.

34. Esrafili M. D., Heidari S. CO catalytic oxidation over C59X heterofullerenes (X = B, Si, P, S): A DFT study // Computational and Theoretical Chemistry. 2019. Vol. 1151. P. 50-57.

35. Meenakshi et al. A first-principle investigation into effect of B- and BN-doped C60 in lowering dehydrogenation of MXH4 (where M = Na, Li and X = Al, B) // Bulletin of Materials Science. 2017. Vol. 40, № 7. P. 1397-1403.

36. Cheng Y.-H. et al. Theoretical investigations on stable structures of C60-nNn (n=2-12): Symmetry, model interaction, and global optimization // Carbon. 2019. Vol. 154. P. 140-149.

37. Qi J. et al. Theoretical studies on characterization of heterofullerene C58B2 isomers by X-ray spectroscopy // RSC Advances. 2016. Vol. 6, №2 99. P. 9675296761.

38. Baei M. T. et al. Structural and electronic properties of XY-doped (AlN, AlP, GaN, GaP) C58 fullerenes: a DFT study // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2017. Vol. 62, № 8. P. 1067-1076.

39. Ajeel F. N., Mohammed M. H., Khudhair A. M. Tuning the electronic properties

of the fullerene C20 cage via silicon impurities // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2017. Vol. 11, № 5. P. 850-858.

40. Ajeel F. N. Engineering electronic structure of a fullerene C20 bowl with germanium impurities // Chinese Journal of Physics. 2017. Vol. 55, № 5. P. 2134-2143.

41. Paul D. et al. The Influence of the Substitution of Transition Metals on Pristine C20: A DFT Study // International Journal of Nanoscience. 2018. Vol. 17, № 04. P. 1760026.

42. Shokuhi Rad A., Ayub K. Nonlinear optical and electronic properties of Cr-, Ni-, and Ti- substituted C20 fullerenes: A quantum-chemical study // Materials Research Bulletin. 2017. Vol. 97. P. 399-404.

43. Demiray F. Investigation of structural and electronic properties of N2O4 adsorbed on C20 fullerene // Diamond and Related Materials. 2020. Vol. 107. P. 107836.

44. Podlivaev A. I., Openov L. A. Specific features of the formation of defects in fullerene C46 // Physics of the Solid State. 2012. Vol. 54, № 7. P. 1507-1513.

45. Xiaohong L., Ruizhou Z., Xianzhou Z. Computational study of imidazole derivative as high energetic materials // Journal of Hazardous Materials. 2010. Vol. 183, № 1-3. P. 622-631.

46. Chi W.-J., Li Z.-S. Molecular design of prismane-based potential energetic materials with high detonation performance and low impact sensitivity // Comptes Rendus Chimie. 2015. Vol. 18, № 12. P. 1270-1276.

47. Chaban V. V., Prezhdo O. V. Energy Storage in Cubane Derivatives and Their Real-Time Decomposition: Computational Molecular Dynamics and Thermodynamics // ACS Energy Letters. 2016. Vol. 1, № 1. P. 189-194.

48. Hidai M., Kuwata S., Mizobe Y. Synthesis and Reactivities of Cubane-Type Sulfido Clusters Containing Noble Metals // Accounts of Chemical Research. 2000. Vol. 33, № 1. P. 46-52.

49. Karpushenkava L. S., Kabo G. J., Bazyleva A. B. Structure, frequencies of normal vibrations, thermodynamic properties, and strain energies of the cage hydrocarbons CnHn in the ideal-gas state // Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 2009. Vol. 913, № 1-3. P. 43-49.

50. Thomas J. Katz N. A. Synthesis of prismane // Journal of the American Chemical Society 1973 Vol. 95, № 8. P. 2738-2739.

51. Eaton P. E., Cole T. W. The Cubane System // Journal of the American Chemical

Society 1964. Vol. 86. P. 962-964.

52. James C. Barborak L. W., R. Pettit A Convenient Synthesis of the Cubane System // Journal of the American Chemical Society 1966. Vol. 88, № 6. P. 1328-1329.

53. Eremenko L. T., Oreshko G. V., Lagodzinskaya G. V. NMR study on the interaction of 1,4-cubanedicarboxylic acid and its esters with elemental fluorine. The synthesis of dimethyl 2-fluorocubane-1,4-dicarboxylate // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2001. Vol. 57, № 8. P. 1663-1672.

54. Eaton; P. E. et al. The synthesis of pentaprismane // Tetrahedron. 1986. Vol. 42,

№ 6. P. 1621-1631.

55. Wen-Guo X., Xiao-Fang L., Shi-Xiang L. Theoretical investigation on the heats

of formation and the interactions among the isocyano groups in polyisocyanoprismanes C(6)H(6-n)(NC)(n) (n=1-6) // Journal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 162, № 2-3. P. 1317-1321.

56. Maslov M. M. et al. Thermal stability of cubane C8H8 // Physics of the Solid State. 2009. Vol. 51, № 3. P. 645-648.

57. Dailey W. P. The structures and energies of pentaprismane and hexaprismane -an ab initio study // Tetrahedron Letters. 1987. Vol. 28, № 47. P. 5787-5790.

58. Shostachenko S. A. et al. Thermal stability of hexaprismane C12H12 and octaprismane C16H16 // Physics of the Solid State. 2015. Vol. 57, № 5. P. 1023-1027.

59. Katin K. P., Maslov M. M. Thermal stability of carbon [n,5] prismanes (n = 24): a molecular dynamics study // Molecular Simulation. 2018. Vol. 44, № 9. P. 703-707.

60. Butcher R. G. a. R. J. The structure of nitrocubane: the last in the series of nitrocubanes // Journal of Chemical Crystallography. 2003. Vol. 33, № 4. P. 281-285.

61. Richard R. M., Ball D. W. B3LYP calculations on the thermodynamic properties

of a series of nitroxycubanes having the formula C8H8-x(NO3)x (x=1-8) // Journal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 164, № 2. P. 1595-1600.

62. Kato T., Yamabe T. Vibronic interactions in charged chlorocubane, (CCl)8 // Chemical Physics. 2005. Vol. 314, № 1-3. P. 219-229.

63. Maslov M. M. et al. Dynamic modeling of cyclotetracubyl thermal decomposition // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2014. Vol. 8, № 2. P. 152-157.

64. Katin K. P. et al. Effect of the embedded atom on the electronic, optical properties and kinetic stability of [3,6]silaprismane // Chemical Physics. 2017. Vol. 487. P. 59-66.

65. Maslov M. M., Katin K. P. High kinetic stability of hypercubane: Tight-binding

molecular dynamics study // Chemical Physics Letters. 2016. Vol. 644. P. 280283.

66. Richard R. M., Ball D. W. Density functional calculations on the thermodynamic properties of a series of nitrosocubanes having the formula C8H8-x(NO)x (x=1-8) // Journal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 164, № 2. P. 1552-1555.

67. Chi W.-J. et al. Theoretical investigation on detonation performances and thermodynamic stabilities of the prismane derivatives // Journal of Molecular Modeling. 2013. Vol. 19, № 3. P. 1049-1057.

68. Equbal A., Srinivasan S., Sathyamurthy N. Stabilisation of the [6]-prismane structure by silicon substitution // Journal of Chemical Sciences. 2017. Vol. 129, № 7. P. 911-917.

69. Mondal S. et al. Structural, elastic, vibrational and optical properties of energetic

material octanitrocubane studied from first-principles theory // Journal of Physics: Condensed Matter. 2020. Vol. 32, № 42. P. 425502.

70. Chi W. et al. Density functional theory calculations on the thermodynamic properties of polynitrosoprismanes // Journal of Molecular Modeling. 2012. Vol. 18, № 9. P. 4557-4563.

71. Barbosa L. S. et al. Cubane and cubanoid: Structural, optoelectronic and thermodynamic properties from DFT and TD-DFT method // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2021. Vol. 103. P. 107820.

72. Wakchaure P. D., Ganguly B. Computational Study on Metal-Ion-Decorated Prismane Molecules for Selective Adsorption of CO2 from Flue Gas Mixtures // ACS Omega. 2020. Vol. 5, № 48. P. 31146-31155.

73. Zhao H. et al. Potassium Tethered Carbons with Unparalleled Adsorption Capacity and Selectivity for Low-Cost Carbon Dioxide Capture from Flue Gas // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018. Vol. 10, № 4. P. 3495-3505.

74. Liu Y. et al. Ca-Embedded C2N: an efficient adsorbent for CO2 capture // Physical Chemistry Chemical Physics. 2017. Vol. 19, № 41. P. 28323-28329.

75. Zhou L. et al. Effect of Lithium Doping on the Structures and CO2 Adsorption Properties of Metal-Organic Frameworks HKUST-1 // ChemistrySelect. 2018. Vol. 3, № 45. P. 12865-12870.

76. Kuang A. et al. Acidic gases (CO2, NO2 and SO2) capture and dissociation on metal decorated phosphorene // Applied Surface Science. 2017. Vol. 410. P. 505-512.

77. Sholl D., Steckel J. A. Density functional theory: a practical introduction. John Wiley & Sons, 2011. P.

78. Kohn W., Sham L. J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Physical Review. 1965. Vol. 140, № 4A. P. A1133 -A1138.

79. Schmidt M. W. et al. General atomic and molecular electronic structure system // Journal of Computational Chemistry. 1993. Vol. 14, № 11. P. 1347-1363.

80. Casolo S. et al. Understanding adsorption of hydrogen atoms on graphene // The Journal of Chemical Physics. 2009. Vol. 130, № 5. P. 054704.

81. Katin K. P., Prudkovskiy V. S., Maslov M. M. Chemisorption of hydrogen atoms and hydroxyl groups on stretched graphene: A coupled QM/QM study // Physics Letters A. 2017. Vol. 381, № 33. P. 2686-2690.

82. Stone A. J., Wales D. J. Theoretical studies of icosahedral C60 and some related species // Chemical Physics Letters. 1986. Vol. 128, № 5. P. 501-503.

83. Lu X., Chen Z., Schleyer P. v. R. Are Stone-Wales Defect Sites Always More Reactive Than Perfect Sites in the Sidewalls of Single-Wall Carbon Nanotubes? // Journal of the American Chemical Society. 2005. Vol. 127, № 1. P. 20-21.

84. Подливаев А. И. et al. Особенности трансформации Стоуна-Уэльса в фуллеренах C20 и C36 // Физика твердого тела,. 2011. Vol. 53, №2 1. P. 199204.

85. Катин К. П., Подливаев А. И. Динамические характеристики низкотемпературного распада фуллерена C20 // Физика твердого тела. 2010. Vol. 52, № 2. P. 407-409.

86. Nascimento A. J., Nunes R. W. Lubrication of Stone-Wales transformations in graphene by hydrogen and hydroxyl functional groups // Nanotechnology. 2013. Vol. 24. P. 435707.

87. Ioffe I. N. et al. C76 fullerene chlorides and cage transformations. Structural and theoretical study // Dalton Trans. 2011. Vol. 40, № 41. P. 11005-11011.

88. Adamo C., Barone V. Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: The PBE0 model // The Journal of Chemical Physics. 1999. Vol. 110, № 13. P. 6158-6170.

89. Krishnan R. et al. Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions // The Journal of Chemical Physics. 1980. Vol. 72, № 1. P. 650-654.

90. Boukhvalov D. W., Son Y. W. Covalent functionalization of strained graphene // Chemphyschem. 2012. Vol. 13, № 6. P. 1463-1469.

91. Katin K. P., Prudkovskiy V. S., Maslov M. M. Influence of methyl functional groups on the stability of cubane carbon cage // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2016. Vol. 81. P. 1-6.

92. Li S. S. Semiconductor Physical Electronics. - Boston, MA: Springer US, 1993.

P.

93. Gribanova T. N., Minyaev R. M., Minkin V. I. Quantum-chemical investigation

of structure and stability of [n]-prismanes and [n]-asteranes // Russian Journal of Organic Chemistry. 2007. Vol. 43, № 8. P. 1144-1150.

94. Mehta G., Padma S. Synthetic studies towards prismanes: Seco-[6]-prismane // Tetrahedron. 1991. Vol. 47, № 37. P. 7783-7806.

95. Jenkins S. J., King D. A. Pentaprismane and hypostrophene from first-principles, with plane waves // Chemical Physics Letters 2000 Vol. 317. P. 381-387.

96. Aihara J. I. Reduced HOMO-LUMO Gap as an Index of Kinetic Stability for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons // Journal of Physical Chemistry A. 1999. Vol. 103, № 37. P. 7487-7495.

97. Zhao Y., Truhlar D. G. The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: two new functionals and systematic testing of four M06-class functionals and 12 other functionals // Theoretical Chemistry Accounts. 2008. Vol. 120, № 1. P. 215-241.

98. Omidvar A., Mohajeri A. Decorated graphyne and its boron nitride analogue as versatile nanomaterials for CO detection // Molecular Physics. 2015. Vol. 113, № 23. P. 3900-3908.

99. Hohenstein E. G., Chill S. T., Sherrill C. D. Assessment of the Performance of the M05-2X and M06-2X Exchange-Correlation Functionals for Noncovalent Interactions in Biomolecules // Journal of Chemical Theory and Computation. 2008. Vol. 4, № 12. P. 1996-2000.

100. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Physical Review Letters. 1996. Vol. 77, № 18. P. 3865.

101. Katin K. P. et al. Kinetic Stability and Reactivity of Silicon and Fluorine-Containing CL-20 Derivatives // ChemistrySelect. 2019. Vol. 4, № 33. P. 96599665.

102. Yanai T., Tew D. P., Handy N. C. A new hybrid exchange-correlation functional using the Coulomb-attenuating method (CAM-B3LYP) // Chemical Physics Letters. 2004. Vol. 393, № 1. P. 51-57.

103. Abedi M., Shamlouei H. R. Structure, electrical and nonlinear optical properties of M@C 20 (M = Li, Na, K, Be, Mg and Ca) nanoclusters // Bulletin of Materials Science. 2018. Vol. 41, № 6. P. 137-137.

104. Mohajeri A., Omidvar A. Density Functional Theory Study on the Static Dipole Polarizability of Boron Nitride Nanotubes: Single Wall and Coaxial Systems // The Journal of Physical Chemistry C. 2014. Vol. 118, № 3. P. 17391745.

105. Lu T., Chen F. Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer // Journal of Computational Chemistry. 2012. Vol. 33, № 5. P. 580-592.