دانشگاه آزاد اسلامی واحد اردبیل
دانشکده علوم پایه ،گروه شیمی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc
رشته شیمی فیزیک
عنوان:
مطالعاتAb-initio و DFT بر روی پایداری ترمودینامیكی نانولوله‌های بورون نیترید و بررسی NMRآن درحلال‌های مختلف
استاد راهنما:
دكتر علی شامل
استاد مشاور:
دكتر سحر مهاجری
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب:
چكیده……………………………………………………………………….. 1
فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته………………………….. 2
1-1- مقدمه…………………………………………………………………. 3
1-2- نانو تكنولوژی………………………………………………………… 3
1-3- نیروهای مؤثر در ابعاد نانومتری…………………………………….. 4
1-3-1- نیروهای واندروالس……………………………………………….. 4
1-3-2- نیروهای كوالانسی……………………………………………….. 4
1-3-3- نیروهای غیرموضعی بدون جهت………………………………… 5
1-4- انواع نانوساختارها ……………………………………………………5
1-5- نانو لوله‌ها…………………………………………………………….. 6
1-6- نانو لوله‌های بورون نیترید…………………………………………… 8
1-6-1- تاریخچه‌ی مختصری از تهیه‌ی نانو لوله‌های بورون نیترید……… 9
1-6-2- پیكربندی نانو لوله‌های بورون نیترید……………………………. 10
1-6-3- انواع ساختارهای نانو لوله بورون نیترید……………………….. 10
1-6-4- روش‌های ساخت نانولوله بورون نیترید…………………………. 11
1-6-4-1- سایش با لیزر…………………………………………………… 12
1-6-4-2- رسوب‌گیری بخار شیمیایی (CVD)…………………………… 12
1-6-4-3- تخلیه قوس الكتریكی………………………………………….. 13
1-6-4-4- اتوكلاو……………………………………………………………. 13
1-6-5- مقایسه‌ی خواص نانو لوله بورون نیترید با نانو لوله‌ی كربنی…..13
1-6-5-1- الكترونگاتیویته…………………………………………………… 14
1-6-5-2- شكل ظاهری…………………………………………………….. 15
1-6-5-3- رسانایی و لومیسانس…………………………………………. 15
1-6-5-4- خواص مكانیكی و حرارتی……………………………………… 16
1-6-5-5- كاربرد……………………………………………………………… 16
1-6-6- كاربردهای نانو لوله بورون نیترید………………………………….. 16
1-6-6-1- ذخیره هیدروژن………………………………………………….. 16
1-6-6-2- نانو پركننده در كامپوزیت‌ها ……………………………………..16
1-6-6-3- سازگاری با بافت زنده و كاربرد آن……………………………… 17
1-6-6-4- كاربردهای دیگر…………………………………………………… 17
1-7- مروری بر تحقیقات گذشته…………………………………………… 19
فصل دوم: مباحث تئوری……………………………………………………. 26
2-1- مقدمه………………………………………………………………….. 27
2-2- مكانیك مولكولی (MM)………………………………………………. 27
2-3- مكانیك كوانتومی (QM) ……………………………………………….28
2-3-1- روش‌های نیمه تجربی…………………………………………….. 31
2-3-1-1- روش‌های تجربی میدان نیرو(مكانیك مولكولی)………………. 31
2-3-2- روش‌های ab-initi………………………………………………….
2-3-3- توانایی‌های روش ab-initio……………………………………….
2-3-4- محدودیت‌های روش ab-initio……………………………………
2-3-5- نكات قوت روشن ab-initio……………………………………….
2-3-6- توابع پایه (basis set)……………………………………………… 33
2-3-6-1- سری‌های پایه‌ی ظرفیتی ـ شكافته…………………………… 34
2-3-6-2- سری پایه‌ی قطبیده…………………………………………….. 35
2-3-6-3- سری پایه پخش شده………………………………………….. 35
2-3-6-4- سری پایه‌ی اندازه‌ی حركت زاویه‌ای بالا……………………….. 35
2-3-7- روش هارتری ـ فاك…………………………………………………..36
2-3-7-1- روش هارتری ـ فاك محدود شده (RHF) و محدود نشده (UHF)..37
2-3-8- گرادیان و مشتقات مرتبه‌ی دوم هارتری ـ فاك…………………… 37
2-3-9- همبستگی الكترونی………………………………………………. 37
2-3-10- تئوری اختلال………………………………………………………. 38
2-3-11- تئوری تابع چگال………………………………………………….. 39
2-3-11-1- معادلات كوهن ـ شم………………………………………….. 41
2-3-11-2- اوربیتال‌های كوهن ـ شم…………………………………….. 42
2-3-11-2- روش چگالی موضعی (LDA)…………………………………. 44
2-3-11-4- روش‌های تصحیح گرادیان…………………………………….. 46
2-3-11-5- مزایا و معایب روش DFT……………………………………….
2-4- روش‌های كامپیوتری………………………………………………….. 48
2-4-1- گوسین 98 (Gaussian 98) ………………………………………..48
2-4-2- نرم‌افزار Gauss view……………………………………………….
2-4-3- هایپر كم…………………………………………………………….. 50
2-4-4- Chem Draw…………………………………………………………
2-5- تاریخچه‌ی NMR………………………………………………………..
2-6- محاسبات آغازین پارامترهای NMR………………………………….
2-6-1- روش‌های محاسبات كامپیوتری………………………………….. 53
2-6-2- روش GIAO…………………………………………………………..
2-6-3- روش LGLO…………………………………………………………..
فصل سوم: روش كار و بررسی داده‌ها …………………………………….56
فصل چهارم: نتایج…………………………………………………………….. 75
4-1- بررسی نتایج حاصل برای ساختار B21N21 در فاز گازی و دمای 298 كلوین…76
4-2- بررسی نتایج حاصل برای ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف……79
منابع…………………………………………………………………………… 90
چکیده:
با نگاهی به تاریخ علم شیمی می‌توان دریافت که مطالعات زیادی بر روی نانو لوله‌های مختلف انجام یافته است. با ساخت نانولوله‌های بورون نیترید و به دلیل کارایی بیشتر آنها در مقایسه با نوع کربنی نظیر خود، بررسی و مطالعه بر روی این ساختارها توسعه بیشتری یافته است. نانو لوله‌های بورون نیتریدی از یک نظر به دو نوع بسته و باز و از دیدگاه دیگر به دو دسته تک دیواره و چند دیواره تقسیم‌بندی می‌شوند. عموماً این ترکیبات سطحی مواج دارند و اتم‌های بور به سمت داخل و اتم‌های نیتروژن به سمت بیرون آرایش دارند به طوری‌که نهایتاً یک لبه بوری و یک لبه نیتروژنی در آنها دیده می‌شود.
در این مطالعه، با استفاده از تئوری تابعیت چگالی، مطالعات آغازین بر روی نانولوله بورون نیترید با فرمول ساختاری B21N21 انجام گرفت. این بررسی با به‌کارگیری نرم‌افزارهایی چون Chem Draw، Chem3D، Gaussian98 و با استفاده از یک کامپیوتر با قدرت پردازش بالا انجام گرفت. به این صورت که ابتدا ساختار را با استفاده از متد B3LYP و تابع گوسی 6-31G بهینه‌سازی نمودیم و خواص ترمودینامیکی آن در حلال‌های مختلف و نیز فاز گازی بررسی كردیم تا بتوان حلالی را که به خوبی شکل هندسی مولکول را به لحاظ انرژی تأیید می‌کند را پیشنهاد داد. به علاوه مقادیر گشتاورهای دوقطبی، بار کلی اتم‌ها، پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته و سایت‌های فعال ساختار، در فاز گازی و حلال‌های موجود به‌دست آمده و نموداری گردید تا با یافتن بهترین حلال و سایت های فعال برای ساختار نانو لوله، بتوان از آن در پژوهش‌های گسترده‌تر استفاده نمود و از سایت فعال پیشنهادی در طراحی داروهای ویژه و به‌عنوان حامل مولکول‌های بیولوژیکی نظیر پروتئین‌ها، اسیدهای آمینه و … استفاده نمود.
فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته
1-1- مقدمه
با نگاهی به تاریخ علم و تكنولوژی می‌توان مشاهده كرد كه اختراع و اكتشافات جدید راهبردی نو در عرصه زندگی بشر ایجاد كرده است، به گونه‌ای كه هر اختراع و اكتشافی عموماً جهت راحتی و آسایش بشر بوده است ولی در برخی موارد انسان با استفاده نادرست از این فناوری‌ها خود مسیر زندگی خویش را تغییر داده است و هر اختراعی بر شاخه‌های دیگر علوم نیز تأثیرگذار بوده است.
سال 1959 سالی تاریخی برای علوم و تكنولوژی است زیرا در این سال اتفاق‌های عظیمی به وقوع پیوست كه شامل پرتاب اولین شیء فضایی به ماه، ساخت اسیدهای نوكلئیك مصنوعی و ساخت اولین دستگاه زیراكس بود.[3]
در روزهای آخر سال 1959 ریچارد فاینمن[1] مشهورترین فیزیكدان دهه‌ی 60 میلادی، پیشنهاد كرد كه می‌توان اتم‌های مجزا را دستكاری كرد و مواد و ساختارهای كوچكی را تولید نمود كه خواص متفاوتی دارد. در آن زمان این فعالیت را نانوتكنولوژی نمی‌نامیدند. ریجارد فاینمن در سال 1965 موفق به ساخت سیلیكون‌های منفذدار و تولید نانوذرات فلزی شد و در همین سال برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیك شد. اریك دركسلر؛ دانشجوی فاینمن فعالیت‌های استاد خود را ادامه داد و یك تصویر اساس سیستم‌های ماشینی مولكولی ارائه داد و به فعالیت‌های خود و استادش نام «نانوتكنولوژی[2]» داد. در سال 1966 ریچارد فاینمن موفق به ساخت اولین وسیله در حد نانو شد.[3]
پیشوند نانو در اصل یك كلمه‌ی یونانی است. معادل لاتین این كلمه Dwarf است كه به معنی كوتوله و كوتاه قد است. یك نانومتر یك میلیاردیم متر () است. این مقدار حدود 4 برابر قطر یك اتم است، مكعبی با ابعاد 2/5 نانومتر ممكن است حدود 1000 اتم را شامل شود.[4]
2-1- نانوتکنولوژی
نانوتكنولوژی، از دو بخش نانو و تكنولوژی تشكیل یافته است. نانو از كلمه‌ی یونانی نانوس به معنای كوتوله آمده است و به پیشوند 9-10 متر اطلاق می‌شود. در بخش دوم یعنی تكنولوژی، سخن از یك علم جدید و ناآشنا نیست بلكه فن و تكنیكی است كه به ما می‌آموزد چطور از دانسته‌های قبلی خود استفاده كنیم.
به بیان ساده علم نانو مطالعه‌ی اصول اولیه‌ی مولكول‌ها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می‌نامیم. نانو تكنولوژی، كاربرد این ساختارها در دستگاه‌های با اندازه‌ی نانومتری است.[3]
تعریف دیگری كه می‌توان از نانو تكنولوژی ارائه نمود این است كه نانوتكنولوژی شكل جدیدی از ساخت مواد به وسیله‌ِی كنترل و دستكاری واحدهای ساختمانی آنها در مقیاس نانو می‌باشد. می‌توان گفت كه نانوتكنولوژی تولید كارآمد مواد و دستگاه‌ها و سیستم‌ها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است كه در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند.[2]
شاید این سؤال در ذهن به وجود آید كه چه چیزی در مقیاس نانومتر وجود دارد كه یك تكنولوژی بر پایه‌ی آن بنا نهاده شده است، آنچه باعث ظهور نانوتكنولوژی شده نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است، این موضوع یكی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو است. در مقیاس نانو اشیاء شروع به تغییر رفتار می‌كنند و رفتار سطوح بر رفتار توده‌ای ماده غلبه می‌كند. در این مقیاس برخی روابط فیزیكی كه برای مواد معمولی كاربرد دارد نقض می‌شوند. در حقیقت در این مقیاس قوانین فیزیك كوانتوم وارد صفحه می‌شوند و امكان كنترل خواص ذاتی ماده وجود نخواهد داشت.[1]
3-1- نیروهای مؤثر در ابعاد نانومتری
نیروهایی كه اتم‌ها را با یكدیگر پیوند می‌دهند به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
1-3-1- نیروهای واندروالس
این نیروها در جایی كه خوشه‌ها (مجموعه‌ی چند ده یا چند صد اتم كه در كنار یكدیگر جمع شده باشند) از تجمع اتم‌های گاز نجیب در كنار یكدیگر تشكیل شده باشند عمل كرده و پیوند ضعیفی بین اتم‌ها برقرار می‌كنند برای مثال می‌توان به اشاره نمود.
2-3-1- نیروهای كوالانسی
این نیروها برای نگهداشتن اتم‌ها در خوشه‌های نیمه هادی[1] وارد عمل می‌شوند. نمونه‌ای از این نیروها را می‌توان در مجموعه اتم‌های ملاحظه نمود.
3-3-1- نیروهای غیرموضعی بدون جهت
این نیروها در جایی كه خوشه‌ها از تجمع اتم‌های فلزی تشكیل شده باشند، عمل می‌كنند. از جمله موادی كه این نیروها بر آنها حاكم است می‌توان به اشاره نمود. با استفاده از قوانین فیزیك كوانتوم امكان كنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت، بار و رنگ مواد، بدون تغییر در تركیب شیمیایی ماده وجود دارد.
وقتی به مقیاس نانو برسیم تقریباً همه‌چیز تغییر می‌كند، حتی رنگ، نقطه‌ی ذوب و خواص شیمیایی آن كاملاً متحول می‌شود. مثلاً نانو ذرات طلا بسته به اندازه‌ی خود می‌توانند نارنجی، ارغوانی، قرمز یا آبی متمایل به سبز به نظر برسند. با میكروسكوپ می‌توان دید كه یك نانو نقطه‌ی طلا، قرمز به نظر می‌رسد. نانو نقطه‌های طلا در واقع ساختارهای بسیار ریزی از طلا هستند كه شكلی شبیه نقطه و قطری در ابعاد نانو دارند (Quantum Dot).
در قدیم از روش مرحله به مرحله كوچك كردن مكعب‌های طلا برای رسیدن به نانو ذرات استفاده می‌كردند كه به روش ساخت از بالا به پایین[1] معروف است. در این روش از ساختارهای بزرگ به ساختارهای كوچك می‌رسیم. این روش هم برای تولید مواد نانو و هم برای تولید مواد معمولی كاربرد دارد.
در حال حاضر بیشتر از اتم‌های مجزا برای ساختن و رسیدن به یك نانو ساختار استفاده می‌كنند كه به این روش ساخت از پایین به بالا[2] می‌گویند. این روش فقط مختص تولید مواد با ساختارهای نانومتری است.[6]
4-1- انواع نانوساختارها
نانوساختارها به پنج دسته تقسیم می‌شوند كه عبارتند از:
1- نانوساختارهای سه بعدی كه همان نانو ذرات[1] هستند و در هر سه بعد خود نانومتری‌اند.
2- نانوساختارهای دو بعدی كه دو بعد نانومتری دارند و عبارتند از نانولوله‌ها[1]، نانو رشته‌ها[2] و نانوكانال‌ها.
3- نانو لایه‌ها[1] كه نانوساختارهای یك بعدی هستند.
4- نانو پورها كه تخلخل نانومتری دارند.
5- نانو توده‌ها كه خود نانومتری نیستند اما ذرات سازنده نانومتری دارند.
[1] . nanolayers
[1] . nanotubes
[2] . nanofibers
[1] . nanoparticles
[1] . top-down
[2] . bottom-up
[1] . semi conductive clusters
[1] . Richard Feynman
[2] . nano technology
تعداد صفحه : 106
قیمت : 14700تومان