Applications de structure électronique et dynamique moléculaire des nanotubes de carbone

Electronic Structure and Molecular Dynamics Applications of Carbon Nanotubes

• Auteur / Autrice : Stefano Battaglia
• Direction : Thierry Leininger, Maria Noelia Faginas Lago
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie Théorique
• Date : Soutenance le 16/10/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Università degli studi (Pérouse, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie et physique quantiques (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Dynamique moléculaire

Structure électronique

Mots clés libres

Structure électronique

Dynamique moléculaire

Nanotubes de carbone

Electronic Structure

Molecular Dynamics

Carbon Nanotubes

Résumé

Les nanotubes de carbone (NTC), synthétisés pour la première fois en 1991, se sont révélés très prometteurs dans de nombreux domaines et constituent un sujet de recherche actuel, tant sur le plan théorique qu'expérimental. Dans cette thèse, les propriétés moléculaires de courts NTC ainsi que leurs possibles applications en tant que systèmes de stockage ont été étudiées au moyen de calculs ab initio et de la dynamique moléculaire. Les molécules composées d'une seule unité de NTC zigzag, appelées cyclacènes, ont été formulées il y a plus de 50 ans. Grâce à la synthèse réussie des NTC, l'intérêt pour ces systèmes et d'autres similaires a considérablement augmenté, bien que leur réalisation expérimentale n'ait pas encore été réalisée. Par conséquent, prédire les propriétés moléculaires, les applications prospectives et éventuellement fournir des informations importantes pour le processus de synthèse basé sur des approches théoriques est d'un intérêt majeur. Néanmoins, les défis associés aux cyclacènes ne sont pas seulement expérimentaux, car les travaux théoriques précédents montrent des résultats controversés sur la structure électronique de ce système. Dans cette thèse, plusieurs propriétés électroniques ont été déduites analytiquement dans l'approximation tight-binding, fournissant des résultats asymptotiques à la limite thermodynamique pour le TPS (total position spread tensor) et la polarisabilité. Les tendances au niveau tight-binding ont été évaluées par des calculs ab initio de haut niveau, montrant un bon accord entre les deux méthodologies. Un problème majeur lié aux cyclacènes est la description de la configuration électronique de leur état fondamental. En étudiant une gamme plus large de tailles de systèmes, on a constaté que le caractère polyradical de l'état fondamental augmentait avec la taille du système alors que la tendance opposée était trouvée pour l'écart énergétique singulet-triplet. Les amas de polyazote ont été suggérés comme matériaux à haute densité énergétique et respectueux de l'environnement en raison de leur énergie de liaison et de leurs voies de décomposition en azote moléculaire.[...]

Carbon nanotubes (CNTs), firstly synthesized in 1991, have shown great promise on a wide range of areas and are a current topic of research, both on a theoretical and experimental level. In this thesis, molecular properties of short CNTs as well as possible applications exploiting them as hosting systems were investigated by means of ab initio and molecular dynamics calculations. Single units of zigzag CNTs, namely cyclacenes, have been hypothesized more than 50 years ago. With the successful synthesis of CNTs, the interest in such systems and other types of carbon nanobelts has considerably increased, although their experimental realization has not been achieved yet. Therefore, predicting the molecular properties, the prospective applications and possibly providing important insight for the synthesis process based on theoretical approaches is of major interest. Notwithstanding, the challenges associated to cyclacenes are not only experimental, as previous theoretical works show controversial results about the electronic structure of this system. In this thesis, several electronic properties were derived analytically within the tight-binding approximation, providing asymptotic results at the thermodynamic limit for the total position spread tensor and the polarizability. The tight-binding trends were assessed by high level ab initio calculations, finding a good agreement between both methodologies. One major issue related to cyclacenes is the description of the electronic configuration of their ground state. By studying a wider range of system sizes, the polyradical character of the ground state was found to increase for increasing system size whereas the opposite trend was found for the singlet-triplet energy gap. Polynitrogen clusters have been suggested as environmentally friendly high energy-density material due to their particular bond energetics and their decomposition pathways into molecular nitrogen. However, their stability at ambient conditions is particularly poor, making their storage a major problem. An attempt to solve this challenge and stabilize polynitrogen systems is to confine them in nanomaterials. The encapsulation inside CNTs of different nitrogen clusters was studied by ab initio calculations.[...]