Noncovalent interactions in the process of carbon nanotubes functionalization with diisocyanates and polyethylene glycol molecules

Abstract

Rozprawa doktorska skupia się na opisie niekowalencyjnych oddziaływań między- oraz wewnątrzcząsteczkowych podczas niekowalencyjnej i kowalencyjnej funkcjonalizacji nanorurek węglowych (z ang. „CNTs”), które zachodzą podczas syntezy kompozytów na bazie poliuretanów i CNTs. Oba rodzaje monomerów, stosowanych w syntezie polimerów poliuretanowych: aromatyczne diizocyjaniany (MDI, metylenodifenylo-4,4’-diizocyjanian, i TDI, 2,4-toluilenodiizocyjanian) i poli(tlenek etylenu) (PEG) zostały wykorzystane w pracy w celu oszacowania natury ich oddziaływań niekowalencyjnych z powierzchnią jednościennych CNTs. Różne rodzaje powierzchni CNT, w tym surowa (z ang. „pristine”) i zdefektowane, zostały wykorzystane do oszacowania wpływu modyfikacji powierzchniowych w materiale węglowym na właściwości strukturalne dołączonych cząsteczek oraz na właściwości elektroniczne CNTs. W pracy zostały wykonane obliczenia metodą teorii funkcjonału gęstości oraz symulacje dynamiką molekularną wg Car i Parrinello w celu (i) wyznaczenia przestrzeni konformacyjnej i właściwości strukturalnych izolowanych cząsteczek MDI, TDI, PEG oraz (ii) opisu ich oddziaływań niekowalencyjnych z powierzchnią CNT podczas kowalencyjnego i niekowalencyjnego wiązania cząsteczek na CNT. Analiza oddziaływań niekowalencyjnych została wykonana w oparciu o kwantową teorię Atomów w Cząsteczce oraz indeks oddziaływań niekowalencyjnych.

The PhD thesis focuses on the description of intermolecular and intramolecular noncovalent interactions during noncovalent and covalent functionalization of carbon nanotubes (CNTs), which take place during the synthesis of the composites based on polyurethanes and CNTs. Both types of polyurethane monomers: aromatic diisocyanates (MDI, 1,1’-methylenebis(4-isocyanatobenzene), and TDI, 2,4-diisocyanato-1-methylbenzene) and polyethylene glycol molecules (PEG), are used to estimate the nature of noncovalent interactions with the surface of single-walled CNTs. Different types of the surface of CNT, i.e. pristine and defective, are used to estimate the influence of the surface modifications of carbon material on the structural properties of the molecules attached and the electronic properties characteristic to the pristine CNT. To accomplish the aims of the studies, density functional theory calculations and Car–Parrinello molecular dynamics simulations at finite temperature are utilized either to estimate the conformational space and structural properties of the isolated molecules (MDI, TDI and PEG) or understand their inter- and intramolecular interactions with the carbon nanotubes during their covalent and noncovalent attachment to the surface. Detailed analysis of noncovalent interactions is made using Quantum Theory of Atoms in Molecules and Non-covalent Interaction index.