مطالعه جریان سیال درون نانو لوله های خم دار با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

عنوان : مطالعه جریان سیال درون نانو لوله های خم دار با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

مقطع : دکتری شیمی

تعداد صفحات: 203

بخشی از متن:

شکل هندسی نانو لوله های کربنی امکان استفاده از آنها برای انتقال سیالات پیشنهاد میکند. جریان سیال درون نانو لوله ها میتواند تقلیدی از جریان سریع گزینشی در کانالهای زیستی باشد اهمیت زیادی در سامانه های نانو الکترومکانیکی دارد همچنین، استفاده از این ترکیبات در انتقال دارو به داخل سلولها یا حتی داخل بخش خاصی از سلول در بافت هدف مورد توجه مطالعه بوده است جریان سیال در نانو لوله ها کاربردهای متنوعی در نانو فنّاوری مخصوصاً در نانو ماشینهای با قسمتهای متحرک دارد. برای مثال، برای انتقال سیال در سامانه های هیدرولیکی یا انتقال مولکولهای واکنش دهنده به داخل محفظه واکنش میتوان از نانو لوله های کربنی استفاده کرد. مطالعه جریان گازها مایعات درون نانو لوله های کربنی میتواند برای مطالعه جریان مخلوط واکنش درون نانو واکنشگاه های آینده راهی باز کند.

به طور کل سنتز نانو لوله های کربنی طی سه روش اصلی تخلیه قوس الکتریکی تابش لیزر نشست بخار شیمیایی (CVD) صورت میگیرد. در روش تخلیه قوس الکتریکی میله گرافیتی به منبع تغذیه متصل میشوند. فاصله این دو میله یکدیگر در حدود چند میلیمتر ثابت نگه داشته میشود. تخلیه الکتریکی در اثر جریان مستقیم ۵۰ تا ۱۰۰ آمپر اختلاف پتانسیل تقریباً ۲۰ ولت ایجاد میشود. در اثر ایجاد قوس الکتریکی کربن بخار شده پلاسمای داغی تولید میگردد که از آن نانو لوله ها حاصل میشوند. برای جلوگیری از آلودگی ایجاد ترکیبات ناخواسته، تمام مجموعه در محیط گاز بی اثر قرار میگیرد. نانو لوله های تولیدی با این روش غالباً کوتاه هستند ابعاد جهت های آنها تصادفی میباشد. بازده این روش بین ۳۰ تا ۹۰ درصد است نانو لوله های حاصله احتیاج به جداسازی خالص سازی دارند نانو لوله های تک دیواره تولیدی به مقدار کمی نواقص ساختاری دارند.

نانو لوله های کربنی یکی از چندشکلی های کربن هستند که در آنها نسبت طول به قطر می تواند تا بیش از یک میلیون باشد. این ترکیبات برای اولین بار در سال ۱۹۹۱ توسط سومیو اییجیما در لکه ای از دوده جداسازی و شناسایی شدند. این مولکول های کربنی استوانه ای خواص بی نظیری دارند که آنها را برای بکارگیری در فناورهای نانو الکترونیک، اپتیک و زمینه های دیگر علم مواد مناسب می سازد. نانو لوله های کربنی خواص الکتریکی بی نظیر، استحکام فوق العاده و نیز هدایت گرمایی موثری را نشان می دهند. نانو لوله های کربنی هم چون خانواده ساختارهای فولرنی، ساختار کربنی بسته دارند. در حالی که فولرنها کروی شکل هستند، یک نانو لوله استوانه ای شکل است و می تواند انتهای آن با یک ساختار نیم کروی از فولرنها بسته شود. قطر نانو لوله ها در حدود چند نانومتر است، ولی در ازای آنها می تواند تا چند میکرون و یا حتی تا چند میلی متر باشد.
پیوند شیمیایی در نانو لوله های کربنی بیشتر ماهیت sp دارد که باعث استحکام منحصر به فرد آنها میشود. معمولا نانو لوله های کربنی توسط نیروهای واندروالسی در کنار یکدیگر در یک ردیف قرار گرفته و ساختارهای طناب مانندی را تولید میکنند. تحت فشارهای بالا، نانو لوله های کربنی میتوانند با یکدیگر ترکیب شوند.
نانو لوله های محکمترین مواد روی زمین هستند. مقاومت کششی (که از مرتبه چندین GPa است) و ضریب کشسان آنها نشان از استحکام و سفتی آنها دارد. رفتار الکتریکی نانو لوله های کربنی نیز جالب میباشد. اگر اختلاف n-m مضربی از سه باشد، نانو لوله خاصیت فلزی و در غیر این صورت رفتار نیمه رساناها را نشان میدهد. همچنین، به لحاظ نظری، نانو لوله های فلزی میتوانند چگالی جریان الکترونی را ازخود عبور دهند که هزار بار بزرگتر از مقداری است که از فلزاتی مثل نقره و مس عبور میکند. به دلیل ابعاد نانومتری نانو لوله های کربنی، انتقال الکترون در این ترکیبات به صورت انتشار در طول محور آنها از طریق نانو لوله های کربنی از طریق اثرات کوانتومی صورت میگیرد. انتظار میرود همه نانو لوله های کربنی هدایت گرمایی خوبی داشته باشند

 

چکیده :

چکیده جریان سیال درون نانو لوله‌ها میتواند تقلیدی از جریان سریع و گزینشی در کانال‌های زیستی باشد و اهمیت زیادی در سامانه‌های نانو الکترومکانیکی و زیستی دارد. استفاده از این ترکیبات در انتقال دارو به داخل سلول‌ها و یا حتی داخل بخش خاصی از سلول در بافت هدف، مورد توجه و مطالعه بوده‌است. جریان سیال در نانو لوله‌ها کاربردهای متنوعی در ‌نانو فنّاوری مخصوصاً در نانو ماشین‌های با قسمت‌های متحرک دارد. برای مثال، انتقال سیال در سامانه‌های هیدرولیکی یا انتقال مولکولهای واکنش‌دهنده به داخل محفظه واکنش میتواند با استفاده از نانو لوله‌های کربنی صورت گیرد. مطالعه جریان گازها و مایعات درون نانو لوله‌های کربنی میتواند راهی برای مطالعه جریان مخلوط واکنش درون نانو واکنشگاه‌های آینده باز کند. هدف از این تحقیق، مطالعه جریان سیال درون نانو لوله‌های مختلف میباشد که به روش دینامیک مولکولی صورت میگیرد. بدین منظور، مطالعة جریان گازهای خالص و مخلوط آنها درون نانو لوله‌های مختلف با قطر متفاوت صورت گرفته و خواص دینامیکی آنها مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات مشابهی درون نانو لوله‌های خم‌دار (CNTJ) صورت گرفت. یک CNTJ از سه بخش تشکیل میشود، دو نانو لوله تک دیواره (CNT1 و CNT2) و یک ناحیه اتصال‌دهنده دو نانو لوله J. بنابراین یک CNTJ را میتوان به صورت CNT1-J-CNT2 نشان داد. در اولین بخش از این مطالعه، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جریان گاز کره سخت درون مدلی دوبعدی از نانو لوله کربنی با استفاده از یک برنامه فرترن انجام شد. در این مطالعه، دیواره پتانسیل سخت دافعه، از طریق محاسبات از اساس در سطح نظری/6-311++G(d,p) B3LYP بر روی سامانه مرجع مولکول سیال-کرونن بدست آمد. نتایج این محاسبات نشان میدهد که با افزایش عدد اتمی گاز نجیب (He، Ne و Ar)، محل دیواره سخت نسبت به محل هسته اتم‌های کربن نانو لوله در فاصله دورتری قرار میگیرد. دامنه این دیواره نوسانی با بزرگترشدن اندازه گونه موردنظر کوچکتر میشود که به برهم کنش قویتر ذره با دیواره و بنابراین مشارکت تعداد بیشتری اتم‌های کربن نانو لوله در تعیین پتانسیل برهمکنش از فاصله خاصی از نانو لوله مربوط میشود. تأثیر چگالی ذره‌ای، دمای منبع، و برش‌های مختلف دوبعدی از یک CNT بر روی جریان گاز کره سخت بررسی گردید. نتایج نشان داد که با افزایش اندازه ذره تعداد برخوردهای بین ذرات افزایش و تعداد برخوردهای با دیواره‌ها کاهش مییابد. فاصله طولی متوسط طی شده در هر گام زمانی، نشان داد که شکل دیواره پتانسیل دافعه سخت نقش مهمی در زمینه آسانی عبور ذرات مختلف درون یک نانو لوله ایفاء میکند. شبیه‌سازی جریان مخلوط‌های با غلظت متفاوت از دو گاز درون نانو لوله‌های مختلف، نشان داد که غلظت گونه‌ها بر آسانی عبور آنها مؤثر است. بررسی تأثیر حضور سیال درون نانو لوله بر روی ساختار ابرمولکول حاوی سیال و نانو لوله با روش نیمه‌تجربی CNDO/2 مورد مطالعه قرار گرفت. بدلیل تعداد زیاد اتم‌های سامانه و امکانات سخت‌ افزاری موجود، استفاده از روش‌های قویتر برای تعیین ساختار امکان‌پذیر نبود. نتایج نشان دادند که انرژی برهمکنش سیال نانو لوله، با افزایش تعداد ذرات سیال در ابتدا با شیب ملایم‌تر و نهایتاً با شیب بزرگتری افزایش مییابد که منجر به انبساط و در نهایت، گسسته‌شدن ساختار نانو لوله میشود. در بخش دیگری از این مطالعه، جریان سیال‌های مولکولی ساده، نظیر منوکسیدکربن (CO) و دیاکسیدکربن (CO2) از درون نانو لوله‌های کربنی تکدیواره به روش شبیه‌ سازی دینامیک مولکولی صورت گرفت. اثرات اندازه و شکل این نانو لوله‌ها بر روی دینامیک جریان گازهای خالص COو CO2 و هم‌چنین مخلوط آنها بررسی گردید. نتایج مطالعات نشان داد که در همة نانو لوله‌های کربنی، به جز برای نانو لوله کربنی (0،21)، جابجایی مولکول‌های CO از مولکول‌های CO2 بیشتر است. شبیه‌سازی جریان گازهای خالص CO و CO2 و هم‌چنین مخلوط آنها درون نانو لوله (12،12) تحت شرایط یکسان اما در دماهای مختلف نشان داد که ضریب نفوذ مولکول‌های CO و CO2 با افزایش دما، افزایش یافته، اما این افزایش رفتار یکنواختی را در بازه دمایی مورد مطالعه نشان نمیدهد. بررسی زوایای جهت یابی متوسط مولکول‌های CO و CO2 نشان میدهد که نوع نانو لوله و قطر آن، نوع مولکول‌های سیال و چگالی آنها در زاویه‌ای که محور مولکول‌ها نسبت به محور نانو لوله میسازد مؤثر است. توزیع شعاعی متوسط تصویر‌شده بر یک برش عرضی برای دو نوع نانو لوله که قطر یکسانی دارند نشان داد که نوع نانو لوله، تأثیر مهمی بر توزیع مولکول‌های سیال دارد. در آخرین بخش از این مطالعه، بررسی جریان گازهای خالص CO و CO2 و مخلوط آنها در سه نانو لوله خم‌دار، (8،3)-J-(12،12)، (12،8)-J-(8،12) و (0،13)-J-(8،8) به روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی انجام گرفت. در جریان گازهای CO/CO2 درون نانو لوله‌های دارای خم، صرفنظر از نوع نانو لوله‌های سازنده آن و شعاع آنها، همواره چگالی عددی مولکول‌های گاز در دومین نانو لوله بیشتر است. مطالعات صورت گرفته نشان داد مولکول‌های گاز در ناحیه خم انحراف شدیدی را تحمل میکنند که بدلیل تغییر ناگهانی تقارن میدان نیرو در مسیر حرکت مولکول‌ها در این ناحیه است. متوسط کسر مولکول‌هایی که میتوانند کمتر از فاصله خاصی به دیواره نانو لوله نزدیک شوند، به شکل ناحیه اتصال‌دهنده دو نانو لوله بستگی دارد. توزیع شعاعی متوسط تصویر‌شده بر یک برش عرضی برای مولکول‌های CO و CO2 در زمان‌های قبل و بعد از تعادل در جریان گازهای خالص CO و CO2 و نیز مخلوط آنها درون CNTJ های مورد نظر دو نوع توزیع ستونی و استوانه‌ای برای مولکول‌های گاز درون هر دو نانو لوله نشان داد. واژه‌های کلیدی: شبیه‌سازی، نانو لوله، جریان، سیال، دینامیک مولکولی غیرتعادلی

 

مشاهده نمونه فایل و خرید

فهرست : فهرست مطالب

عنوان صفحه
فصل اول: مقدمات و مبانی نظری
1-1) مقدمه  1
1-2) نانولوله‌های کربنی  2
1-2-1) سنتز نانو لوله‌های کربنی  5
1-3) روشهای محاسبه ساختار مولکولی  7
1-3-1) روش از اساس  8
1-3-1-1) هارتری فاک  8
1-3-2) روش‌های نیمه‌تجربی  9
1-3-3) نظریه تابعیت چگالی  10
1-3-4) خطای پوش مجموع پایه  12
1-3-5) مکانیک مولکولی  14
1-4) شبیه‌سازیهای رایانه‌ای  18
1-4-1) شبیه‌سازیهای مونت‌کارلو  19
1-4-2) شبیه‌سازی دینامیک مولکولی  20
1-4-2-1) روشهای لانژونی  21
1-4-2-2) روشهای کوانتومی شبیه‌سازی  22
1-4-2-3) دینامیک هامیلتونی  23
1-4-2-4) دینامیک نیوتنی  24
1-4-3) فنون مورد استفاده در شبیه‌سازی  28
1-4-3-1) شرایط مرزی دوره‌ای  28
1-4-3-2) قطع پتانسیل  30
1-4-3-3) فهرست همسایه‌های نزدیک  32
1-4-3-4) تصحیح اثر تقریب قطع پتانسیل  34
1-4-4) برآورد خطاها  36
عنوان صفحه
1-4-5) انتگرال‌گیری از معادلات حرکت  37
1-4-6) موقعیت‌ها و سرعت‌های اولیه  39
1-4-7) دینامیک مولکولی در دمای ثابت  40
1-4-8) دینامیک مولکولی در فشار ثابت  42
1-4-8) تعادل‌رسانی سامانه  42
1-4-9) محدودیت‌های شبیه‌سازی دینامیک مولکولی  44
1-4-10) تحلیل نتایج  45
1-4-10-1) انرژی کل  45
1-4-10-2) ظرفیت گرمایی  46
1-4-10-3) فشار  46
1-4-10-4) دما  47
1-4-10-5) تابع توزیع شعاعی  47
1-5) اهداف تحقیق  48
فصل دوم: محاسبات مقدماتی
2-1) مقدمه  51
2-2) دینامیک مولکولی سیال در نانو لوله کربنی در دو بعد  52
2-2-1) تولید مختصات نانولوله‌های کربنی  52
2-2-2) محاسبه و شبیه‌سازی دیواره سخت نانو لوله کربنی  53
2-2-3) شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جریان یک گاز خالص درون مدل دوبعدی نانو لوله‌های کربنی  56
2-2-4) شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جریان مخلوط گازها درون مدل دوبعدی نانو لوله‌های کربنی  65
2-3) کلاه‌های کربنی  76
2-4) مطالعه تأثیر سیال بر نانو لوله کربنی به روش نیمه‌تجربی  77
فصل سوم: مطالعه جریان در نانولوله‌های کربنی خم‌دار
3-1) مقدمه  81
عنوان صفحه
3-2) بررسی جریان سیال درون نانو لوله‌های کربنی (CNTs)  81
3-2-1) جزئیات محاسبات  82
3-2-2) نتایج و بررسی  84
3-3) مطالعه جریان گازهای CO و CO2 درون نانو لوله‌های کربنی خم‌دار (CNTJs)  98
3-3-1) ساخت نانولوله‌های کربنی خم‌دار  98
3-3-2) جزئیات محاسبات شبیه‌سازی جریان گازهای CO و CO2 درون نانو لوله‌های خم‌دار 100
3-3-3) نتایج و بررسی  102
فصل چهارم: نتیجه‌گیری و کارهای آتی
4-1) نتیجه‌گیری  116
4-2) پیشنهادی برای کارهای پژوهشی آتی  119
پیوست‌ها 120
پیوست 1: برنامه فرترن برای تولید مختصات نانو لوله‌های کربنی  121
پیوست 2: نمونه پرونده‌های ورودی برنامه G03  126
پیوست 3: برنامه فرترن برای به تعادل رساندن ذرات درون منبع  128
پیوست 4: برنامه فرترن برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی  134
پیوست 5: نمونه‌ای از پروند‌ه‌های ورودی و خروجی نرم‌افزار DL-POLY برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جریان گاز در نانو لوله‌های کربنی (CNTs)  153
پیوست 6: برنامه فرترن برای بدست‌ آوردن نتایج مورد نظر از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جریان گاز در نانو لوله‌های کربنی (CNTs)  158
پیوست 7: برنامه فرترن برای تولید مختصات نانو لوله خم‌دار (CNTJ)  162
پیوست 8: برنامه فرترن برای بدست‌ آوردن نتایج موردنظر از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جریان گاز در نانو لوله‌های کربنی (CNTJ)  176
منابع و مآخذ  193

 

دریافت نمونه فایل

برای کسب اطلاعات بیشتر با ایمیل [e-mail] در ارتباط باشید