Acs ja ja-2011-01786y



Yüklə 4,89 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə5/7
tarix29.07.2018
ölçüsü4,89 Mb.
#59535
1   2   3   4   5   6   7

9029

dx.doi.org/10.1021/ja201786y |

J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9023–9035

Journal of the American Chemical Society

ARTICLE

On packing these layers in three dimensions, one can obtain a



number of polytypes. Figure 9 shows four of these; others may be

found in our detailed study.

41

We

first found these structures



(except for graphane I) by using an evolutionary algorithm

structure search (USPEX) at one pressure. The structures so

obtained were then taken over a wide pressure range.

Figure 10 shows the static lattice enthalpies of various CH

systems, including benzene phase III, benzene phase V, the two

polymeric structures mentioned earlier, and the graphane-type

phases obtained by us using the evolutionary algorithm search.

The corresponding most stable carbon (graphite below 10 GPa

and cubic diamond above 10 GPa) and H

2

phases



50

are taken as

references. The graphite-to-diamond phase transition around 10

GPa causes the apparent kink in the graphane relative enthalpy

curves at that pressure; there is no discontinuity in their intrinsic

enthalpy curves.

For the CH system, the most stable phase we found in the

range 0


À10 GPa is the all-chair graphane -AA- stacking or -AB-

stacking, both dynamically stable (see SI). These phases are close

in energy over a wide pressure range. Graphane III becomes the

most stable phase in the range of 10

À200 GPa. The calculated

phonon dispersion for both graphanes III and IV shows no

imaginary frequencies at 200 and 300 GPa, indicating that both

are dynamically stable. The reasons for the increasing stabiliza-

tion of graphanes III and IV with pressure (relative to I and II) are

discussed elsewhere; the di

fferential can be traced to the balance

of inter- and intrasheet H 3 3 3 H interactions.

41

Graphanes I and II should interconvert easily, for what is



involved is merely the sliding of layers. But the interconversion

between this pair and graphane III or IV should be di

fficult—

many CC bonds would have to break in the process. These are



geometrical isomers, not conformers.

So why do the benzene phases (III and V) not convert

spontaneously to these four-connected polymers? Because there

are likely signi

ficant barriers to polymerization. Organic chem-

istry as a whole is an exercise in kinetic persistence. The isomers

of benzene itself (Figure 11) are but one example of this. So

prismane, benzvalene, and Dewar benzene are respectively no

less than 114, 81, and 80 kcal/mol less stable than benzene.

However, they were made in the 1960s and 1970s;

51

À53


despite

slow decomposition to benzene, they have a half-life long enough

Figure 8.

Four isomeric single-sheet graphanes. Side views are at left,

top views at right.

Figure 9.

Graphane I (at 10 GPa), II (at 10 GPa), III (at 200 GPa), and

IV (at 300 GPa) structures.

Figure 10.

Enthalpy of various CH systems as a function of pressure.

The reference is the most stable phase of carbon and H

2

: graphite below



10 GPa and cubic diamond above 10 GPa; for H

2

, P6



3

/m (<100 GPa),

C2/c (100

À250 GPa), and Cmca-12 (>300 GPa). Note that zero-point

energies are not included in these calculations.



9030

dx.doi.org/10.1021/ja201786y |

J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9023–9035

Journal of the American Chemical Society

ARTICLE

to allow isolation. The reversions of these to benzene are forbidden



reactions.

54

To summarize: at every pressure studied, saturated, four-coordi-



nate CH phases, and graphanes in particular, are more stable than

any phase retaining discrete benzene molecules. Furthermore, the

transformation from benzene to saturated hydrocarbon may well

be local or nucleated. The outcome would be an amorphous,

approximately four-coordinated polymer. We will return to the

first stages of nucleated polymerization later in this paper. It

seems to us likely that such polymers, di

fficult if not impossible to

calculate, are in fact the experimentally observed polymeric

products of the pressurization of benzene.

DFT computations apply to the T = 0 K and static situation.

To analyze the e

ffect of temperature on benzene phase III, we

performed an annealing simulation using the ab initio molecular

dynamics (MD) method.

55

For the annealing process, the initial



temperature of the system is increased to 300 K, and a

final


temperature of 0 K is requested. The annealing analysis indicates

that the chemical transformation (to a saturated polymer) occurs

in phase III when the pressure is above 150 GPa at elevated

temperature. If the temperature is higher still, the transformation

may occur at a still lower pressure.

Ciabini et al.

7

used MD simulations to study several amorphi-



zation events in benzene from con

figurations equilibrated (phase

III) at 23 GPa and 540 K. All the reactive events are irreversibly

initiated when the nearest-neighbor (nonbonded) C 3 3 3 C dis-

tance approaches 2.5

À2.6 Å. In our case, the nearest-neighbor

C 3 3 3 C distance in phase III at 190 GPa and 0 K is 2.4 Å, which is

similar to the distance at 23 GPa and 540 K obtained by Ciabini

et al. In fact, Ciabini et al. did not observe any reaction in a pressure

range up to 150 GPa

—only an increase of the atomic kinetic energy

(up to 1500 K at 23 GPa) was able to induce the amorphization in a

few hundred femtoseconds. This indicates, as suspected, that

temperature is also an important factor in the phase transitions of

benzene. Note that there is a di

fference in the structures obtained by

Ciabini et al. and us: our polymer II is an ordered crystal structure

and not amorphous. The length of the simulation and the tempera-

ture may be responsible for the di

fference.


Does this mean that we should desist and not study the e

ffect


of pressure on benzene? Not at all. As our calculations also show,

the various benzene phases are local minima, dynamically stable

over a wide pressure range. They will face substantial barriers to

transforming into graphanes. Phase III in particular is a benzene

structure that in our calculations is persistent to

∼200 GPa at 0 K.

Thus, it makes sense to inquire into the properties of the most

persistent benzene phases, such as phase III, focusing on their

eventual metallization.

Approaches to Metalization while Maintaining a Benzene

Structure.

As we saw earlier in our calculations, benzene remains

in phase III until

∼200 GPa at T = 0 K, despite saturated phases

being more stable. At

∼200 GPa it transforms spontaneously to a

polymeric saturated CH phase. As phase III is compressed, the

band gap becomes smaller, and at

∼180 GPa it vanishes, within

the tolerances of the GGA computational approach we use. This

region, 180

À200 GPa, in which one has a metallic benzene phase

that has a barrier to rearrangement to a saturated polymer, is of

substantial interest to us. We next describe in some detail the

approach to metallization.

Figure 12 shows the computed relative compressions of

benzene phase III as a function of pressure. The Wigner

ÀSeitz


radius r

s

is de



fined by 4πr

s

3



/3 = 1/

F, where F is the average

valence-electron density. Since

F = N/V, where N is the number

of valence electrons in the unit cell and V is the volume of the unit

cell,


F scales as V

À1/3


. The volume reduction for all the benzene

phases, not only phase III, is rapid between 0 and 10 GPa and is

attributable to the squeezing out of the van der Waals space

between benzene units. Such behavior has been observed in

many molecular crystals under pressure.

56,57


The remarkably useful Goldhammer

ÀHerzfeld criterion for

metallization

58

holds that an insulator or semiconductor is likely



to become a metal when the conditions on the density are such

that the bulk polarizability diverges; that is, electrons can be

stripped o

ff the atoms or molecules with a diverging local field

associated with an in

finitesimal perturbation. To be specific, the

Goldhammer

ÀHerzfeld criterion says that a material becomes

metallic when the quantity (1

À fRV


m

)

À1



diverges, where

R is


the molecular polarizability, V

m

the volume per molecule in the



solid, and f a dimensionless factor determined only by the

packing of the molecules in the crystal. The divergence occurs

when f

R/V


m

= 1. For cubic systems f = 4

π/3, and this gives V

m

=



4

πR/3. Using the definition of r

s

, 4


πr

s

3



/3 = V

m

/N



ve

(where N


ve

is the number of electrons), we then have the following condition

for cubic systems, namely r

s

= (



R/N

ve

)



1/3

. The average polariz-

ability of benzene,

R, is 67.55 bohr;

3

N

ve



= 30 in one benzene

molecule. One then gets r

s

= 1.31 for the metallization of



benzene.

The real benzene structure (phase III is under discussion) is, of

course, not cubic. Still the arguments made above carry over well

—as Figure 13 shows, the band gap goes to zero at P ≈ 180 GPa,

where r

s

= 1.31 and the relative compression is just around 3.0.



Figure 11.

Three known isomers of benzene.

Figure 12.

Computed relative compression as a function of pressure in

benzene phase III. The relative compression is de

fined by [r

s

(0)/r


s

(p)]


3

,

where r



s

(0) and r

s

(p) are the Wigner



ÀSeitz radius at ambient pressure

and calculated high pressure, respectively.




Yüklə 4,89 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə