碳纳米卷轴结构是一种由单片石墨烯卷曲而成的结构,与多壁纳米碳管不同,碳纳米卷具有边缘开放的结构特征。在通常的碳纳米管制备过程中,碳纳米卷甚至比纳米碳管有更大的产额,是更易出现的结构,其在储氢以及医药载体等方面可能与碳纳米管有同样广泛的应用,已经引起了许多研究者的关注,但是其形成机制至今尚不明确。我们采用分子动力学方法,通过对石墨带自发嵌入单壁纳米碳管中形成螺旋带,并进而演化成碳纳米卷的过程进行了模拟,主要结果有:1.本文通过分子动力学模拟,选用AIREBO势函数,讨论了石墨带进入单壁纳米碳管后形状的变化。研究发现(1)当纳米石墨带进入碳管内部形成稳定的纳米螺旋带后,其相邻螺旋环之间的距离保持为3.5 A,与纳米带宽度无关;(2)碳管内螺旋带与碳管壁的距离为3.5 A,与碳管类型及纳米带长度、宽度无关;(3)碳管内螺旋带的本征振动频率约在1010量级;(4)为了在直径为D,长度为L的单壁纳米碳管中形成完美的石墨带螺旋结构,石墨带的长度l需要满足:(?)A.(其中w≥4.27A,D≥ 23.05A).2.在形成石墨带螺旋结构的基础上,进一步模拟发现,通过移动碳管或者石墨螺旋带将两者分离,在一定条件下,石墨螺旋带可以自发的形变为石墨卷。只要石墨带能在不同的碳管内部形成螺旋结构,并在脱离碳管束缚后还能形成稳定的纳米卷,其最终所形成的纳米卷的结构将基本一致,与前期所用的碳管长度、直径无关,其中心圈层直径在20A附近振荡,长度不同的石墨带所形成的石墨卷只在卷的圈数上存在差异。这一结果可能会为制备特定尺寸的纳米卷带来极大便利。3.根据石墨卷形成的模拟过程,提出实验中纳米石墨卷产生的一种可能机制,即在诸如电弧放电制备碳纳米管的方法中,一些长度和宽度适宜的石墨带首先被吸入某些碳纳米管中形成石墨螺旋带,然后由于热运动造成的不断碰撞过程中,一些石墨螺旋带有机会脱离碳管的束缚而自发形成更为稳定的石墨卷结构。因此,可以通过电镜观察到实验产物中并存有碳纳米管及石墨卷的存在。