گرایش آلی

با عنوان : محاسبات تابع چگالی خواص جذب 1-متیل-1-نیتروزواوره

دانشگاه آزاد اسلامی 

واحد رشت

دانشکده : علوم پایه

گروه آموزشی : شیمی

پایان­نامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

رشته : شیمی

گرایش : آلی

عنوان:

محاسبات تابع چگالی خواص جذب 1-متیل-1-نیتروزواوره روی سطح نانولوله های کربنی و بورنیترید

استاد راهنما:

دکتر مجید کیا

پایان نامه

بخش هایی از متن پایان نامه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

   عنوان                                                                                                                 صفحه

فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………..2

1-1) مقدمه ای بر علم محاسبات…………………………………………………………………………………………………..3

1-2) فن آوري نانو………………………………………………………………………………………………………………………3

1-3) نانولوله هاي كربني……………………………………………………………………………………………………………….5

1-3-1) شكل هاي مختلف نانولوله………………………………………………………………………………………………..7

1-3-2) ساختار نانولوله ها…………………………………………………………………………………………………………….9

1-3-3) خواص نانولوله ها………………………………………………………………………………………………………….10

1-3-4) كاربرد نانولوله ها……………………………………………………………………………………………………………11

1-3-5) نانولوله هاي باز وبسته…………………………………………………………………………………………………….12

1-4) نانولوله هاي بور نيتريد……………………………………………………………………………………………………….13

1-4-1) خالص سازي نانولوله هاي بورنيتريد…………………………………………………………………………………14

1-5) فرايند هاي توليد نانولوله…………………………………………………………………………………………………….15

1-6) سازگاري زيستي نانولوله ها…………………………………………………………………………………………………15

1-7) نانولوله هاي كربني در پزشكي……………………………………………………………………………………………..16

1-8) كاربرد نانولوله هاي كربني در تشخيص سرطان………………………………………………………………………16

1-9) نانولوله هاي كربني و كاربرد آنها در تشخيص مولكول ها………………………………………………………..17

1-10) 1-متيل – 1- نيتروزو اوره (MNU)……………………………………………………………………………………17

1-11) الكترونگاتيوي………………………………………………………………………………………………………………….19

1-12) قطبش پذيري، سختي و نرمي…………………………………………………………………………………………….19

1-13) HOMO و LUMO………………………………………………………………………………………………………….20

1-14) شيمي محاسباتي……………………………………………………………………………………………………………….22

1-15) مكانيك مولكولي……………………………………………………………………………………………………………..22

1-16) نظريه ي اوربيتال مولكولي و روش هاي آن…………………………………………………………………………23

1-16-1) روش MO هوكل…………………………………………………………………………………………………………24

1-16-2) روش هاي نيمه تجربيMO…………………………………………………………………………………………..24

1-16-3) روش هاي ab initio…………………………………………………………………………………………………….25

1-16-4) مجموعه هاي پايه…………………………………………………………………………………………………………25

1-16-5) هارتري فاك HF………………………………………………………………………………………………………….27

1-16-6) تئوري تابع چگالي الكتروني(DFT)………………………………………………………………………………..27

1-17) گوسين……………………………………………………………………………………………………………………………28

فصل دوم: مروری برکارهای گذشته………………………………………………………………………………………………30

1-1) مطالعه ي تئوري تابع چگالي درمورد ي تأثير شكل و اندازه در پتانسيل يونش و پيوستگي الكتروني در نانو ساختارهاي مختلف كربن………………………………………………………………………………………………………31

2-2) تحقيق تئوري درمورد ي آناليز نانو لوله هاي كربني با گروه هاي عاملي………………………………………31

2-3) مطالعه ي جذب سطحي روي نانوهاي كربني تك ديوار با بهره گیری از روش تئوري تابع چگالي(DFT)…………………………………………………………………………………………………………………………….32

2-4) بررسي خواص ترموديناميكي جذب سطحي بنزن در كربن هاي فعال نانولوله هاي كربني چند ديواره……………………………………………………………………………………………………………………………………….32

2-5) پيش گويي آرايش خطي نانو صندلي Ni درون نانولوله هاي كربني با بهره گیری از روش تئوري تابع چگالي………………………………………………………………………………………………………………………………………32

2-6) مطالعه ي تئوري تابع چگالي براي جذب سطحيO2 و N2روي نانو لوله هاي كربني تك ديواره (5,0)………………………………………………………………………………………………………………………………………..33

2-7) مطالعه ي جذب سطحي تركيب NH3(H2O)n=0,1,2,3 روي نانولوله هاي كربني تك ديواره (8,0) به روش DFT ……………………………………………………………………………………………………………………………..33

2-8) مطالعه ي تفصيلي قدرمطلق يانگ براي نانولوله هاي كربني تك ديواره توسط روش هاي CPMD و MD واولين اصل شبيه سازي……………………………………………………………………………………………………….34

2-9) اضافه كردن گروه هاي عاملي به نانولوله هاي كربني……………………………………………………………….34

2-10) بررسي جذب سطحي هيدروژن روي سيستم Ce/BNNT به كمك روش DFT……………………….35

2-11) مطالعه ي نانولوله هاي بور نيتريد با روش DFT/B3LYP……………………………………………………..35

2-12) مطالعه ي جذب سطحي اتم هاي هيدروژن روي ديواره ي خارجي نانولوله هاي كربني و خاصيت ترموديناميكي آنها……………………………………………………………………………………………………………………….35

2-13) مطالعه ي افزودن گروه عاملي COOH به نانولوله هاي كربني تك ديواره زيگ زاگ و دسته صندلي با بهره گیری ازروش تئوري تابع چگالي (DFT)………………………………………………………………………………….36

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

فصل سوم بحث و نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………….37

3-1) روش انجام كار…………………………………………………………………………………………………………………38

3-2) انرژي اتصال………………………………………………………………………………………………………………………49

4-3) محاسبات طول پيوند…………………………………………………………………………………………………………..51

4-4) محاسبات زاويه ي پيوند……………………………………………………………………………………………………..53

3-5) محاسبات خواص بنيادي……………………………………………………………………………………………………..55

3-6) بار هاي اتمي……………………………………………………………………………………………………………………..57

3-7) ممان دو قطبي……………………………………………………………………………………………………………………59

3-8) شكاف بين HOMO و LUMO…………………………………………………………………………………………..61

نتيجه گيري………………………………………………………………………………………………………………………………..80

منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………….81

چکیده

نانولوله ها گروه جدیدی از خانواده کربن هستند. این ترکیبات اغلب به عنوان شکل سوم کربن (پس از الماس و گرافیت) در نظر گرفته می گردد و کاملا از کربن با هیبرید sp2 تشکیل شده می باشد. امروزه نانولوله ها بسیار مورد توجه اند. در اين تحقيق آغاز نانولوله هاي زيگزاگ بور نيتريد (8-0) ، بور فسفر (7-0) و نانولوله هاي صندلي كربني (5-5) و نيز نانولوله هاي زيگزاگ بور نيتريد (8-0) با ناخالصي هاي گاليوم و ژرمانيوم و همچنين نانولوله هاي صندلي كربني (5-5) با ناخالصي هاي آلومينيوم و گاليوم و مولكول 1-متيل-1-نيتروزواوره (MNU) با بهره گیری از نرم افزار هاي Gaussview و Nanotube Modeler ترسيم شده و سپس با بهره گیری از نرم افزار Gaussian 09 و متد DFT بر پايه B3LYP6-31G(d) بهينه و براي آنها مقدار انرژي محاسبه گردید. سپس مولكول MNU از دو جهت (يك بار از طرف NH2– و بار ديگر از طرف CO و NO) به نانولوله نزدیک گردید و سپس ساختارهاي فوق با بهره گیری از نرم افزار گوسين 09 و با متد DFT با سري پايه B3LYP6-31G(d) بهينه شدند. سپس طول پيوند ها، زواياي پيوند، بار هاي اتمي، ممان دو قطبي، انرژي هاي پيوند، شكاف بين LUMO- HOMO ، پتانسيل يونش، سختي، نرمي، الكترون خواهي و پتانسيل شيميايي مولكول مطالعه گردید.

کلیدواژه

نانولوله کربنی ، نانولوله بورنیترید ، 1-متیل-1-نیتروزواوره ، تئوری تابع چگالی الکترونی .     

1-1) مقدمه ای بر علم محاسبات

شيمي محاسباتي گوياي كاربرد محاسبات در شيمي می باشد و در حقيقت شاخه اي از دانش شيمي می باشد كه سعي در حل مسائلي زیرا پيش بيني ساختار مولكولي، خواص مولكولي و واكنش هاي شيميايي با بهره گیری از كامپيوتر دارد و در اين رشته از نتايج شيمي نظري كه در قالب برنامه هاي مؤثر كامپيوتري در آمده اند، براي محاسبات ساختار و خواص مولكول ها بهره گیری مي گردد. نتايج آن كامل كننده اطلاعات بدست آمده از آزمايش هاي شيميايي هستند اما در برخي موارد مي تواند منجر به پيش بيني پديده هاي شيميايي نظاره نشده گردد. از اين رشته به گستردگي براي طراحي مواد جديد و دارو ها بهره گیری مي گردد،‌ زيرا در اين موارد پيش گويي دقيق ويژگي هاي فيزيكي حقيقي الزامي می باشد.

از مهم ترين مزاياي يك شبيه سازي مي توان به پيش بيني خواص مولكول ها بدون انجام عملي آزمايشات آنها در آزمايشگاه می باشد و در واقع مي توان اطلاعات اوليه براي انجام واكنش بدون صرف كمترين مواد و هزينه، بدون مواجه شدن با مواد سمي و خطرناك را تا حدودي حدس زد. تا از اين طريق انجام عملي آزمايش براي ما آسان تر گردد تا در هزينه و مواد صرفه جويي لازم حاصل گردد. همچنين مي توان از اين طريق اطلاعات درمورد ي آزمايشاتي كه امكان انجام آنها در آزمايشگاه امكان پذير نيست را بدست آورد. به گونه كلي مي توان شبيه سازي را يك آزمايشگاه كوچك مجازي نام برد كه امروزه در دنيا بسيار مهم و پر طرفدار می باشد به طوري كه هر ساله نرم افزار هاي قدرتمندي براي انجام محاسبات در تمام علوم خصوصأ شيمي به بازار معرفي مي گردد. و هرساله كامپيوتر هاي قدرتمندتري با قدرت پردازش بهتر به بازار عرضه مي گردد كه انجام محاسبات براي مولكول هاي بزرگتر و پيچيده تر را امكان پذير مي كند و حتي انجام محاسبات براي مولكول هاي بسيار بزرگ نيز توسط ابر رايانه ها امكان پذير شده می باشد.

1-2) فن آوري نانو

فناوري نانو يا نانوتكنولوژي[1] رشته اي از دانش كاربردي و فناوري می باشد كه رشته هاي گسترده اي از علوم را پوشش مي دهد. موضوع اصلي آن نيز مهار ماده يا دستگاه هاي در ابعاد كمتر از يك ميكرومتر، معمولأ حدود 1 تا 100 نانومتر می باشد. در واقع نانوتكنولوژي فهم و به كار گيري خواص جديدي از مواد و سيستم هايي در اين ابعاد می باشد كه اثرات فيزيكي جديدي- عمدتأ متأثر از غلبه خواص كوانتومي بر خواص كلاسيك- از خود نشان مي دهند. فناوري نانو موج چهارم انقلاب صنعتي، پديده اي عظيم می باشد كه در تمامي گرايشات علمي راه يافته و از فناوري هاي نويني می باشد كه با سرعت هرچه تمام تر در حال توسعه می باشد. از ابتداي دهه 1980 ميلادي، گستره طراحي و ساخت ساختمان ها هر روزه شاهد نوآوري هاي جديدي در زمينه ي مصالح كارآراتر و پر بازده تر، مقاومت، شكل پذيري ، دوام و توانايي بيشتر نسبت به مصالح سنتي می باشد. فناوري نانو يك رشته به شدت ميان رشته اي می باشد و به رشته هايي زیرا مهندسي مواد ، پزشكي، داروسازي و طراحي دارو ، دامپزشكي، زيست شناسي، فيزيك كاربردي، ابزار هاي نيم رسانا، شيمي ابر مولكول، مهندسي مكانيك، مهندسي برق و مهندسي شيمي نيز مربوط مي گردد. تحليل گران بر اين باورند كه فناوري نانو، فناوري زيستي (Bio technology) و فناوري اطلاعات (IT)، سه قلمرو علمي هستند كه انقلاب سوم صنعتي را شكل مي دهند. نانوتكنولوژي مي تواند به عنوان ادامه دانش كنوني به ابعاد نانو يا طرح ريزي دانش كنوني بر پايه هايي جديد تر و امروزي تر باشد.

فن آوري نانو توانايي ساخت، كنترل و بهره گیری ماده در ابعاد نانومتري می باشد. اندازه ذرات در فناوري نانو مهم می باشد، چراكه در ابعاد نانويي، ابعاد ماده در خصوصيات آن بسيار تأثيرگذار می باشد و خواص فيزيكي، شيميايي و بيولوژيكي تك تك اتم ها و مولكول ها با خواص توده ماده متفاوت می باشد. اين اندازه در مواد مختلف متفاوت می باشد اما به گونه معمول مواد نانو به موادي كه حداقل يكي از ابعاد آن كوچك تر از 100 نانومتر باشد گفته مي گردد.

در مجموع فن آوري نانو شامل سه مرحله می باشد:

  1. 1. طراحي مهندسي ساختار ها در سطح اتم
  2. 2. تركيب اين ساختار ها و تبديل آنها به مواد جديد با ساختار نانو با خصوصيات ويژه.
  3. 3. تركيب اين گونه مواد و تبديل آنها به ابزار هاي سودمند.

انتظار مي رود كه نانوتكنولوژي نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلاينده ها، محيط زيستي سالم تر را فراهم كند و نيز كاربرد آن را در علوم مختلف به خصوص پزشكي به بالاتر رفتن كيفيت زندگي بشر و نجات بشر ها كمك بسيار كند. يكي از شاخه هاي اصلي نانوتكنولوژي نانومواد مي باشد كه خود شامل سه شاخه نانوپودرها، نانولوله ها و نانوكامپوزيت ها مي باشد. در اين تحقيق ما در مورد نانولوله ها و كاربرد آن در نانوتكنولوژي بحث مي كنيم.

1-3) نانولوله هاي كربني

نانولوله هاي كربني[2] (CNT) كه استوانه هاي تو خالي از ورقه هاي گرافيت هستند، شكل لوله مانند داشته و در سال 1991 توسط سوميو ايجيما[3] (از شركت NEC ژاپن) كشف شده می باشد[1].

ساختار نانولوله هاي كربني را مي توان شكل دگرگون شده ي گرافيت تصور كرد. در گرافيت لايه هاي بسيار زياد اتم هاي كربن در شكل شش ضلعي به هم متصل بوده و ورقه هاي سطحي را تشكيل مي دهند. اين مواد داراي خواص ساختاري، مكانيكي و الكتريكي فوق العاده هستند كه ناشي از استحكام ويژه پيوند هاي كربني وتقارن استوانه اي آنهاست. خواص منحصر به فرد و استحكام كششي خوب از يك جنبه و ويژگي اسكلتي نانولوله ها (كربن ماده اي می باشد كم وزن، بسيار پايدار و ساده جهت انجام فرايند ها كه توليد آن نسبت به فلزات ارزان تر می باشد) در دهه گذشته موجب تحقيقات مهمي در زمينه ي كارايي، ساختار اتمي، الكتروني و روش هاي توليد آنها شده می باشد.مي توان گفت دليل اين علاقه ويژه به نانولوله ها به علت ساختار منحصر به فرد آنهاست.

1-3-1) شكل هاي مختلف نانولوله

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

يك CNT به دو شكل نانولوله تك جداره[4] (يك ورقه لوله شده) و يا چند جداره[5] (چند ورقه كه با هم لوله شده) وبا انواع مختلف دستوارگي نشان دهنده ي آرايش شش ضلعي حاصل از اتم هاي كربن می باشد كه در جهت محور لوله شكل گرفته اند.

پس ممكن می باشد دو لوله با قطر يكسان، ساختار متفاوتي داشته باشند، اگرچه منحصرأ از اتم هاي كربن تشكيل شده باشد. اتم هاي كربن روي سطح نانولوله ها همگي داراي ساختار شش ضلعي بوده بسته به چگونگي لوله كردن ورقه شش ضلعي، سه ساختار مختلف ايجاد مي گردد. يك CNT را با بردار (m, n) توصيف مي كنند، كه m و n اعداد صحيح هستند[2].m=0  يك نانولوله ي زيگ زاگ را توصيف مي كند، كه شش ضلعي هاي آن به صورت زيگ زاگ در طول لوله پايين مي طریقه، اما اگر m=n باشد به نانولوله مدل صندلي دسته دار گفته مي گردد، كه شش ضلعي ها در لوله مستقيمأ به موازات طولشان درست شبيه دسته هاي يك صندلي دسته دار امتداد پيدا مي كنند. لوله ها همچنين ممكن می باشد بين اين دو انتها دستوارگي داشته باشند، كه مي توانند با پيچيدن يك لوله تشكيل شوند كه به آن نانولوله كايران مي گويند.

1-3-2) ساختار نانولوله ها

در شكل (1-6 ) نيز ساختار سه نوع مختلف از نانولوله ها نشان داده شده می باشد. نانولوله (5-5) از نوع صندلي دسته دار با m=n ، نانولوله (9-0) زيگ زاگ با m=0 و نانولوله (10-5) كايران می باشد.

تعداد صفحه :100