碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）因其独特的结构和优异的物理化学性质，在纳米科技领域备受关注。多壁碳纳米管（Multi-Wall Carbon Nanotubes, MWCNTs）作为碳纳米管的一种重要形式，广泛应用于电子器件、复合材料、能源存储等领域。
本文将详细介绍如何利用Materials Studio软件构建多壁碳纳米管，并分别讲解Sequence和Individual两种构建方式。
一、Materials Studio中的多壁碳纳米管构建工具
Materials Studio提供了强大的Nanostructure Builder工具，能够帮助用户轻松构建多壁碳纳米管。
1. 在菜单栏中找到并打开的Build > Build Nanostructure > Multi-Wall Nanotube。
2. 在构建过程中，用户可以通过Setup选项卡选择不同的构建方式，并设置纳米管的化学组成、键长、能量最小化等参数。
Setup选项卡
· Nanotube Definition：选择多壁碳纳米管的定义方式，可选Sequence或Individual。
· Type：选择纳米管的化学组成，如碳纳米管（Carbon）或氮化硼纳米管（Boron Nitride）。
· Bond Length：设置理想石墨烯片中原子间的键长，默认值为1.42 Å（碳纳米管）或1.44 Å（氮化硼纳米管）。
· Minimize Energy：勾选此项后，软件将自动旋转纳米管以最小化应变能。
二、Sequence模式构建多壁碳纳米管
Sequence模式是一种基于预定义算法的构建方式，用户只需指定最内层单壁碳纳米管的属性以及所需的壁数，软件将自动生成多壁碳纳米管。
1. Sequence选项卡
· Inner Nanotube：设置最内层纳米管的参数。
N：控制纳米管大小的整数参数，最小值为1，默认值为6。
M：控制石墨烯片手性角的整数参数，最小值为0，默认值为6。
Length：显示最内层纳米管的总长度（Å），参数更改后自动更新。
Diameter：显示最内层纳米管的直径（Å），参数更改后自动更新。
· Overall：设置多壁碳纳米管的整体参数。
Number of Walls：指定多壁碳纳米管的壁数，默认值为2。
Wall Separation：指定相邻纳米管之间的最小距离，默认值为3.347 Å（石墨的层间距）。
2. 构建过程
· 在Sequence模式下，软件会根据最内层纳米管的参数，自动生成外层纳米管。每层纳米管的M值保持不变，N值逐步增加，直到相邻纳米管之间的距离超过设定的Wall Separation。
· 外层纳米管的长度会被调整为与最内层纳米管相同，可能导致某些外层纳米管的长度为非整数倍的重复单元长度。
三、Individual模式构建多壁碳纳米管
Individual模式允许用户手动指定每层纳米管的手性向量（N, M），适合需要精确控制每层纳米管结构的用户。
1. Individual选项卡
· N：控制纳米管大小的整数参数，最小值为1，默认值为6。
· M：控制石墨烯片手性角的整数参数，最小值为0，默认值为6。
· Diameter：显示所选纳米管的直径（Å），参数更改后自动更新。
· Add：在网格中添加新行，允许为新纳米管输入参数。
· Delete：删除当前选中的行。
· Move Up/Down：将当前选中的行向上或向下移动。
· Inner Repeat Units：设置最内层纳米管的重复单元数，决定纳米管的长度，默认值为2。
· Length：显示最内层纳米管的总长度（Å），参数更改后自动更新。
2. 构建过程
· 在Individual模式下，用户可以逐层指定每层纳米管的N和M值，从而精确控制每层纳米管的结构。
· 外层纳米管的长度会被调整为与最内层纳米管相同，可能导致某些外层纳米管的长度为非整数倍的重复单元长度。
· 如果纳米管直径过于接近，软件可能会提示“Tubes are less than 1.5 Åapart”，此时用户可以选择继续构建或中止操作。
四、总结
通过Materials Studio的Nanostructure Builder工具，用户可以轻松构建多壁碳纳米管。Sequence模式适合快速生成多层纳米管，而Individual模式则适合需要精确控制每层结构的用户。无论选择哪种模式，用户都可以通过设置键长、重复单元数、壁数等参数，构建出符合需求的多壁碳纳米管模型。
益于理论计算化学的快速发展，计算模拟在纳米材料研究中的运用日益广泛而深入。科研领域已经逐步形成了“精准制备-理论模拟-先进表征”的研究模式，而正是这种实验和计算模拟的联合佐证，更加增添了论文的可靠性和严谨性，往往能够得到更广泛的认可。
华算科技已向国内外1000多家高校/科研单位提供了超过50000项理论计算和测试表征服务，部分计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。
