مهندسی شیمی

پایان نامه : محاسبات تابع چگالی خواص جذب ۱-متیل-۱-نیتروزواوره

دانشگاه آزاد اسلامی 

واحد رشت

دانشکده : علوم پایه

گروه آموزشی : شیمی

پایان ­نامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

رشته : شیمی

گرایش : آلی

عنوان:

محاسبات تابع چگالی خواص جذب ۱-متیل-۱-نیتروزواوره روی سطح نانولوله های کربنی و بورنیترید

استاد راهنما:

دکتر مجید کیا




   عنوان                                                                                                                 صفحه
فصل اول: مقدمه۲
۱-۱) مقدمه ای بر علم محاسبات.۳
۱-۲) فن آوری نانو.۳
۱-۳) نانولوله های کربنی.۵
۱-۳-۱) شکل های مختلف نانولوله۷
۱-۳-۲) ساختار نانولوله ها۹
۱-۳-۳) خواص نانولوله ها.۱۰
۱-۳-۴) کاربرد نانولوله ها.۱۱
۱-۳-۵) نانولوله های باز وبسته.۱۲
۱-۴) نانولوله های بور نیترید۱۳
۱-۴-۱) خالص سازی نانولوله های بورنیترید.۱۴
۱-۵) فرایند های تولید نانولوله.۱۵
۱-۶) سازگاری زیستی نانولوله ها.۱۵
۱-۷) نانولوله های کربنی در پزشکی.۱۶
۱-۸) کاربرد نانولوله های کربنی در تشخیص سرطان.۱۶
۱-۹) نانولوله های کربنی و کاربرد آنها در تشخیص مولکول ها.۱۷
۱-۱۰) ۱-متیل – ۱- نیتروزو اوره (MNU)17
۱-۱۱) الکترونگاتیوی۱۹
۱-۱۲) قطبش پذیری، سختی و نرمی۱۹
۱-۱۳) HOMO و LUMO.20
۱-۱۴) شیمی محاسباتی.۲۲
۱-۱۵) مکانیک مولکولی.۲۲
۱-۱۶) نظریه ی اوربیتال مولکولی و روش های آن۲۳
۱-۱۶-۱) روش MO هوکل۲۴
۱-۱۶-۲) روش های نیمه تجربیMO24
۱-۱۶-۳) روش های ab initio.25
۱-۱۶-۴) مجموعه های پایه۲۵
۱-۱۶-۵) هارتری فاک HF.27
۱-۱۶-۶) تئوری تابع چگالی الکترونی(DFT)27
۱-۱۷) گوسین.۲۸
فصل دوم: برکارهای گذشته۳۰
۱-۱) مطالعه ی تئوری تابع چگالی درباره ی تأثیر شکل و اندازه در پتانسیل یونش و پیوستگی الکترونی در نانو ساختارهای مختلف کربن.۳۱
۲-۲) تحقیق تئوری درباره ی آنالیز نانو لوله های کربنی با گروه های عاملی.۳۱
۲-۳) مطالعه ی جذب سطحی روی نانوهای کربنی تک دیوار با بهره گرفتن از روش تئوری تابع چگالی(DFT)32
۲-۴) بررسی خواص ترمودینامیکی جذب سطحی بنزن در کربن های فعال نانولوله های کربنی چند دیواره۳۲
۲-۵) پیش گویی آرایش خطی نانو صندلی Ni درون نانولوله های کربنی با بهره گرفتن از روش تئوری تابع چگالی.۳۲
۲-۶) مطالعه ی تئوری تابع چگالی برای جذب سطحیO2 و N2روی نانو لوله های کربنی تک دیواره (۵,۰).۳۳

۲-۷) مطالعه ی جذب سطحی ترکیب NH3(H2O)n=0,1,2,3 روی نانولوله های کربنی تک دیواره (۸,۰) به روش DFT .33
۲-۸) مطالعه ی تفصیلی قدرمطلق یانگ برای نانولوله های کربنی تک دیواره توسط روش های CPMD و MD واولین اصل شبیه سازی۳۴
۲-۹) اضافه کردن گروه های عاملی به نانولوله های کربنی.۳۴
۲-۱۰) بررسی جذب سطحی هیدروژن روی سیستم Ce/BNNT به کمک روش DFT35
۲-۱۱) مطالعه ی نانولوله های بور نیترید با روش DFT/B3LYP35
۲-۱۲) مطالعه ی جذب سطحی اتم های هیدروژن روی دیواره ی خارجی نانولوله های کربنی و خاصیت ترمودینامیکی آنها۳۵
۲-۱۳) مطالعه ی افزودن گروه عاملی COOH به نانولوله های کربنی تک دیواره زیگ زاگ و دسته صندلی با استفاده ازروش تئوری تابع چگالی (DFT)36
فصل سوم بحث و نتیجه گیری.۳۷
۳-۱) روش انجام کار.۳۸
۳-۲) انرژی اتصال.۴۹
۴-۳) محاسبات طول پیوند۵۱
۴-۴) محاسبات زاویه ی پیوند۵۳
۳-۵) محاسبات خواص بنیادی۵۵
۳-۶) بار های اتمی۵۷
۳-۷) ممان دو قطبی۵۹
۳-۸) شکاف بین HOMO و LUMO61
نتیجه گیری۸۰
منابع.۸۱
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 شود و کاملا از کربن با هیبرید sp2 تشکیل شده است. امروزه نانولوله ها بسیار مورد توجه اند. در این تحقیق ابتدا نانولوله های زیگزاگ بور نیترید (۸-۰) ، بور فسفر (۷-۰) و نانولوله های صندلی کربنی (۵-۵) و نیز نانولوله های زیگزاگ بور نیترید (۸-۰) با ناخالصی های گالیوم و ژرمانیوم و همچنین نانولوله های صندلی کربنی (۵-۵) با ناخالصی های آلومینیوم و گالیوم و مولکول ۱-متیل-۱-نیتروزواوره (MNU) با بهره گرفتن از نرم افزار های Gaussview و Nanotube Modeler ترسیم شده و سپس با بهره گرفتن از نرم افزار Gaussian 09 و متد DFT بر پایه B3LYP6-31G(d) بهینه و برای آنها مقدار انرژی محاسبه شد. سپس مولکول MNU از دو جهت (یک بار از طرف NH2– و بار دیگر از طرف CO و NO) به نانولوله نزدیک شد و سپس ساختارهای فوق با بهره گرفتن از نرم افزار گوسین ۰۹ و با متد DFT با سری پایه B3LYP6-31G(d) بهینه شدند. سپس طول پیوند ها، زوایای پیوند، بار های اتمی، ممان دو قطبی، انرژی های پیوند، شکاف بین LUMO- HOMO ، پتانسیل یونش، سختی، نرمی، الکترون خواهی و پتانسیل شیمیایی مولکول مطالعه شد.

کلیدواژه
نانولوله کربنی ، نانولوله بورنیترید ، ۱-متیل-۱-نیتروزواوره ، تئوری تابع چگالی الکترونی .     
۱-۱) مقدمه ای بر علم محاسبات
شیمی محاسباتی گویای کاربرد محاسبات در شیمی است و در حقیقت شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسائلی چون پیش بینی ساختار مولکولی، خواص مولکولی و واکنش های شیمیایی با بهره گرفتن از کامپیوتر دارد و در این رشته از نتایج شیمی نظری که در قالب برنامه های مؤثر کامپیوتری در آمده اند، برای محاسبات ساختار و خواص مولکول ها استفاده می شود. نتایج آن کامل کننده اطلاعات بدست آمده از آزمایش های شیمیایی هستند اما در برخی موارد می تواند منجر به پیش بینی پدیده های شیمیایی مشاهده نشده شود. از این رشته به گستردگی برای طراحی مواد جدید و دارو ها استفاده می شود،‌ زیرا در این موارد پیش گویی دقیق ویژگی های فیزیکی حقیقی الزامی است.
از مهم ترین مزایای یک شبیه سازی می توان به پیش بینی خواص مولکول ها بدون انجام عملی آزمایشات آنها در آزمایشگاه است و در واقع می توان اطلاعات اولیه برای انجام واکنش بدون صرف کمترین مواد و هزینه، بدون مواجه شدن با مواد سمی و خطرناک را تا حدودی حدس زد. تا از این طریق انجام عملی آزمایش برای ما آسان تر شود تا در هزینه و مواد صرفه جویی لازم حاصل شود. همچنین می توان از این طریق اطلاعات درباره ی آزمایشاتی که امکان انجام آنها در آزمایشگاه امکان پذیر نیست را بدست آورد. به طور کلی می توان شبیه سازی را یک آزمایشگاه کوچک مجازی نام برد که امروزه در دنیا بسیار مهم و پر طرفدار است به طوری که هر ساله نرم افزار های قدرتمندی برای انجام محاسبات در تمام علوم خصوصأ شیمی به بازار معرفی می گردد. و هرساله کامپیوتر های قدرتمندتری با قدرت پردازش بهتر به بازار عرضه می گردد که انجام محاسبات برای مولکول های بزرگتر و پیچیده تر را امکان پذیر می کند و حتی انجام محاسبات برای مولکول های بسیار بزرگ نیز توسط ابر رایانه ها امکان پذیر شده است.
۱-۲) فن آوری نانو
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی[۱] رشته ای از دانش کاربردی و فناوری است که رشته های گسترده ای از علوم را پوشش می دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولأ حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانوتکنولوژی فهم و به کار گیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی- عمدتأ متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک- از خود نشان می دهند. فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده ای عظیم است که در تمامی گرایشات علمی راه یافته و از فناوری های نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر در حال توسعه است. از ابتدای دهه ۱۹۸۰ میلادی، گستره طراحی و ساخت ساختمان ها هر روزه شاهد نوآوری های جدیدی در زمینه ی مصالح کارآراتر و پر بازده تر، مقاومت، شکل پذیری ، دوام و توانایی بیشتر نسبت به مصالح سنتی است. فناوری نانو یک رشته به شدت میان رشته ای است و به رشته هایی چون مهندسی مواد ، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو ، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، ابزار های نیم رسانا، شیمی ابر مولکول، مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو، فناوری زیستی (Bio technology) و فناوری اطلاعات (IT)، سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهند. نانوتکنولوژی می تواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح ریزی دانش کنونی بر پایه هایی جدید تر و امروزی تر باشد.
فن آوری نانو توانایی ساخت، کنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتری است. اندازه ذرات در فناوری نانو مهم است، چراکه در ابعاد نانویی، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است و خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم ها و مولکول ها با خواص توده ماده متفاوت است. این اندازه در مواد مختلف متفاوت است اما به طور معمول مواد نانو به موادی که حداقل یکی از ابعاد آن کوچک تر از ۱۰۰ نانومتر باشد گفته می شود.
در مجموع فن آوری نانو شامل سه مرحله است:

  1. ۱٫ طراحی مهندسی ساختار ها در سطح اتم
  2. ۲٫ ترکیب این ساختار ها و تبدیل آنها به مواد جدید با ساختار نانو با خصوصیات ویژه.
  3. ۳٫ ترکیب این گونه مواد و تبدیل آنها به ابزار های سودمند.

انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها، محیط زیستی سالم تر را فراهم کند و نیز کاربرد آن را در علوم مختلف به خصوص پزشکی به بالاتر رفتن کیفیت زندگی انسان و نجات انسان ها کمک بسیار کند. یکی از شاخه های اصلی نانوتکنولوژی نانومواد می باشد که خود شامل سه شاخه نانوپودرها، نانولوله ها و نانوکامپوزیت ها می باشد. در این تحقیق ما در مورد نانولوله ها و کاربرد آن در نانوتکنولوژی بحث می کنیم.
۱-۳) نانولوله های کربنی

99