دانلود پایان نامه

می‌روند. در مورد کلاستر که در آن ۱۰-۲=n است، در محاسبات تئوری مولکولی فاز گازی پایداری بالایی مشاهده شد و انرژی بالایی داشتند. با توجه به طول پیوند، در لایه‌های کلاستر هگزانول بورون نیترید، جمع‌شدگی یا کشیدگی قابل توجهی مشاهده نشد و برخلاف مشاهدات قبلی در مورد سیستم‌هایی با شکل هندسی مشابه، ساختار مذکور، برهم‌کش چندانی هم نشان نمی‌دهد و در واقع عدم استقرار بیشتر HOMO را می‌توان به تشکیل پیوند کووالانسی بین بور و نیتروژن نسبت داد نه به هم‌پوشانی . بارهای اسپین مولیکن۷۰ نشان می‌دهد که حلقه‌های مختوم به بور و نیتروژن دارای بارهای اضافی هستند که علامت این بارها در طبقه‌های داخلی و بیرونی مخالف هم هستند. محاسبات آغازین نشان داد که کلاسترهای چند لایه۷۱ هگزانول بورون نیترید، شکاف پیوندی بالایی حدود ev7 دارند که این مقدار در حلقه‌های انباشته‌ای که تعداد حلقه‌ها کمتر از ۱۰ است به صورت تابعی از تعداد حلقه‌ها متغیر است. با دستکاری تعداد لایه‌های این ساختار ممکن استمربوط به HOMO-LUMO افزایش یابد که این ثابت می‌کند این ساختار غیرهادی و دارای خصلت عایق می‌باشد. انرژی پیوند حلقه‌ها، برای ساختارهای دارای بیش از ۳ حلقه حدود KJmol-1700 به دست آمد که نشان دهنده پیوند قوی و پایداری این ساختارها می‌باشد.[۵۱]
گیاهی و همکاران(۲۰۱۱)، نانو لوله‌های بورون نیترید مختوم به فلوئور را بررسی کردند. آنها از تئوری تابعیت‌چگالی و ترکیبی از متد برای یافتن ویژگی‌های نانولوله‌های بورون‌نیترید(۰ و ۶) زیگزاگ و (۴ و ۴) صندلی شکل که در آنها اتم فلوئور جایگزین اتم‌های انتهایی شده‌اند، استفاده کردند. ساختار خام و اولیه از ۳۶ اتم بور و ۳۶ اتم نیتروژن ساخته شده بود که لبه‌های ساختارها به ترتیب با ۱۶ و ۱۲ اتم هیدروژن اشباع بودند. مدل‌های دستکاری شده به این شکل به دست آمدند: در مورد ساختار زیگزاگ، یکبار ۶ اتم هیدروژن موجود در لبه‌های مختوم به اتم بور با ۶ اتم فلوئور تعویض شدند، یک بار ۶ اتم هیدروژن موجود در انتهای مختوم به اتم نیتروژن با اتم‌های فلوئور جاگذاری شدند و بار سوم ۱۲ اتم فلوئور به جای ۱۲ اتم هیدروژن هردو انتهای ساختار نشستند. در ساختار صندلی شکل دو مدل جدید ساخته شد که در اولی ۸ اتم هیدروژن انتهایی یک سمت نانو لوله با ۸ اتم فلوئور جاگذاری شدند و در دومی به جای ۱۲ اتم هیدروژن در هر دو انتها اتم‌های فلوئور قرار گرفتند.
تمامی این ساختارها پس از بهینه‌سازی، تحت محاسبات قرار گرفت و پارامتر ثابت کوپلینگ چهار قطبی برای اتم‌های B11 و N16 استخراج شد. مقادیر ثوابت کوپلینگ چهار قطبی متناظر با دانسیته الکترونی سایت‌های اتمی۷۲ نشان داد که ویژگی‌های مشاهده شده برای این اتم‌ها، اثرات مناطق فلوئوردار شده را آشکار می‌کند. زیرا اثرات قابل توجهی بر روی ویژگی‌ها اتم‌های بور و نیتروژنی که در مجاورت مناطق فلوئوردار بود مشاهده شد و در حالی که ویژگی سایر اتم‌ها عموماً بدون تغییر باقی ماندند. در مورد طول پیوندها، با تغییر اتم‌ها از هیدروژن به فلوئور، طول پیوندهای بین بور – فلوئور و پیوند بین نیتروژن و فلوئور فرق کرد. پیوند بین بور – فلوئور قویتر از پیوند بین بور- هیدروژن و بین نیتروژن ـ فلوئور بوده و پیوند نیتروژن ـ فلوئور ضعیف‌تر از پیوند بین نیتروژن – هیدروژن و پیوند بین بور – فلوئور شد و نتیجه آخر این‌که فلوئوردار شدن ساختار بر روی اتم‌های بور و نیتروژن، اثرات مشابهی را داشت.[۵۲]
ژآاو۷۳ و همکاران(۲۰۱۲) از چین در مطالعات خود، جذب سطحی هیدروژن بر روی بستر‌های بورون نیترید را بررسی کردند. آنها مطالعات تئوریکی جذب سطحی مولکول‌های هیدروژن بر روی صفحات همگن نانو لوله بورون نیترید لایه‌ای، و بر روی لایه‌های ناهمگن گرافیت/ بورون نیترید را با متغیر قرار دادن فاصله بین لایه‌ها انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش فاصله بین لایه‌ها هیدروژن واجذبی۷۴ شده و برهم‌کنش الکترواستاتیک، با ماهیت قطبیتی پیوندهای بین بور و نیتروژن تغییر می‌کند. آنها برای تعیین این‌که آیا واقعاً می‌توان با کم کردن انرژی جذب سطحی، از جذب مولکول‌های هیدروژن به عنوان حالت مرجع استفاده کرد یا نه، ظرفیت جذب هیدروژن مربوط به خوشه‌های مختلفی را شبیه‌سازی کردند و به این نتیجه رسیدند که لایه‌های ناهمگن گرافیت/ بورون نیترید با خوشه Bernal، بهترین مورد برای جذب برگشت‌پذیر۷۵ است که بیش از هشت مولکول هیدروژن می‌تواند با متوسط انرژی جذبی۷۶ جذب شود که این عدد برای مقدار جذب تقریبی ۶۹/۷ درصد وزنی هیدروژن می‌باشد.[۵۳]

فصل دوم
مباحث تئوری
۲-۱- مقدمه
شیمی محاسباتی به خارج از مرزهایی که شیمی را از علوم فیزیک، بیولوژی و کامپیوتر جدا می‌کرد توسعه یافت سیمای شیمی محاسباتی شامل مدل‌سازی مولکولی، روش‌های محاسباتی و طراحی مولکولی به کمک کامپیوتر و همچنین داده‌های شیمیایی و طراحی سنتز مواد می‌باشد.
شیمی محاسباتی در مواردی که فهم یک فرایند شیمیایی مشکل بوده یا اطلاعاتی راجع به فرایندهایی که در آزمایشگاه به سختی قابل مشاهده و انجام هستند کاربرد زیادی دارند(از جمله واکنش‌های آنزیمی به ویژه جایی که متالو پروتئین‌ها وجود دارند) واکنش‌های نانو تیوب، واکنش‌های بیولوژیکی موجودات زنده و … می‌توان نام برد. اصولاً هرجا که تعداد اتم‌های زیادی (بیش از ۱۰۰۰ اتم) در واکنش شرکت می‌کنند را می‌توان نام‌برد.[۵۴]
شیمی محاسباتی شامل روش‌های مختلف ریاضی در دو گروه تقسیم‌بندی می‌شود:
– مکانیک مولکولی
– مکانیک کوانتومی
۲-۲- مکانیک مولکولی۷۷ (MM)
مکانیک مولکولی قوانین کلاسیک فیزیک را برای هسته‌ی مولکول‌ها بدون ملاحظه صریح الکترون‌ها به کار می‌بندد. در ناحیه‌ی مکانیک مولکول آنچه اهمیت بسزایی در صحت محاسبات دارد میدان‌های نیروی انتخابی است. هرچه اتم‌ها افزایش می‌یابند محاسبات نیز مشکل‌تر می‌شود و مستلزم صرف زمان بیشتری می‌باشد. علاوه بر این اشاره شود که بیشتر زمان صرف شده مربوط به جزئیات نواحی از سیستم است که توسط برهمکنش‌های کلاسیک نیز قابل توصیف است به ویژه اگر از میدان‌های نیرویی استفاده شود که جهت سیستم‌های بیوشیمیایی طراحی شده‌اند.[۵۵]
مکانیک مولکولی(MM): مکانیک کلاسیک یا مکانیک مولکولی تنها در مورد ذرات ماکروسکوپی بکار می‌آید. در مکانیک مولکولی حرکت ذرات از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می‌کند.

که در این‌جا F نیروی وارد بر ذره، m جرم آن و t زمان حرکت است. معادله‌ بالا شامل مشتق دوم مختصات x نسبت به زمان است. برای حل آن بایستی دو دفعه انتگرال‌گیری شود. با این عمل دو ثابت اختیاری و وارد جواب می‌شود به‌طوری که داریم:

که g تابعی از زمان است.
در مکانیک مولکولی، سرعت هریک از ذره موجود در سیستم در لحظه‌ای از زمان به اضافه مشخص کردن نیروهای وارد بر ذرات سیستم است. طبق قانون دوم نیوتن۷۸ با در دست داشتن حالت یک سیستم در لحظه‌ای از زمان، حالت و حرکات آتی آن دقیقاً تعیین می‌شود.
در محاسبات مربوط به مکانیک مولکولی، از تمامی الکترون‌ها صرف‌نظر می‌شود و تنها هسته در محاسبات به‌کار می‌رود، چراکه الکترون‌ها ذرات بسیار ریزی هستند که در مقابل هسته که بسیار بزرگ است، می‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد.
در محاسبات مربوط به مکانیک مولکولی، مولکول‌ها درشت بوده و شامل هزاران اتم می‌باشند و بیشتر در مورد ترکیبات آلی، الیگو نوکلئوتیدها، پپتیدها و ساکاریدها به کار می‌رود. همچنین فقط حالت پایه۷۹ در نظر گرفته می‌شود.
محاسبات مکانیک مولکولی سریع‌تر و مقرون به صرفه‌اند زیرا که این محاسبات پیچیده نبوده و زمان زیادی برای حل معادلات نیاز نیست. در مورد مولکول‌های بزرگ حتی پلیمرها۸۰ به‌کار می‌رود و در برخی موارد دقت آن به اندازه‌ی روش‌های QM می‌باشد ولی ویژگی‌های مربوط به الکترون‌ها را به ما نمی‌دهد.
۲-۳- مکانیک کوانتومی۸۱ (QM)
برهم‌کنش‌های الکترونی به روش مکانیک کوانتومی بررسی می‌گردد. مکانیک کوانتومی با تکیه بر معادله شرودینگر، به تشریح مولکولی با در نظر گرفتن رفتار صحیح ساختار الکترونی‌اش می‌پردازد. [۵۶]
فیزیک کوانتومی مهمترین دستاورد علم بشری در توصیف طبیعت است. این نظریه که در سال‌های ۲۷-۱۹۲۵ توسط هایزنبرگ۸۲ و پل دیراک۸۳ و ماکس پلانک۸۴ و چند دانشمند دیگر پایه‌گذاری شد، اساس تمام ادراک امروزی ما از عالم است. به بیان دقیق‌تر مکانیک کوانتومی مجموعه‌ای از قوانین، روابط ریاضی و مفاهیم فلسفی است که توصیف کننده‌ی رفتار ذرات بنیادین تشکیل دهنده‌ی عالم است.
البته با تعمیم معین قوانین و روابط می‌توان رفتار تمام سیستم‌های فیزیکی‌ای که پیش از آن بررسی شده بودند را نیز بررسی و تعیین کرد. پایه‌ی ریاضی این نظریه، جبر خطی عالی است.
در مکانیک کوانتومی اصلی به نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ۸۵ وجود دارد که طبق این اصل هم‌زمان نمی‌توان مکان و اندازه‌ی حرکت ذرات ماکروسکوپی را تعیین کرد از این‌رو دوگانگی موج ـ ذره۸۶ خود عمل اندازه‌گیری، اختلاف غیرقابل کنترلی را در سیستم مورد اندازه‌گیری وارد می‌کند. مکانیک کوانتومی یک تابع حالت است از این رو برای تعیین حالت آتی یک سیستم در مکانیک کوانتومی نیاز به معادله‌ای داریم که چگونگی تغییرات تابع موج را نسبت به زمان بیان کند این معادله به صورت زیر نوشته می‌شود:

که در عبارت فوق جرم ذره و V(x,t) تابع انرژی پتانسیل سیستم می‌باشد. مفهوم تابع موج و معادله حاکم بر تغییرات آن با زمان توسط شرودینگر۸۷ فیزیکدان اتریشی کشف شد و معادله فوق معادله وابسته به زمان شرودینگر می‌باشد. معادله وابسته به زمان شرودینگر شامل مشتق اول تابع موج نسبت به زمان است و ما را قادر می‌سازد که با دانستن تابع موج در زمان t0 تابع موج بعدی را در هر زمان محاسبه کنیم. تابع موج شامل تمام اطلاعاتی است که در حد امکان می‌توان درباره‌ی سیستم مورد توصیف آن به‌دست آورد. مکانیک کوانتومی اساساً طبیعت آماری دارد. با دانستن حالت یک سیستم نمی‌توان نتیجه اندازه‌گیری موضع یک ذره را به‌طور حتم پیش‌بینی کرد، تنها می‌توان احتمال نتایج ممکن متعدد را تخمین زد.
مکانیک کوانتومی مدعی نیست که الکترون نظیر یک موج در ناحیه‌ی بزرگی از فضا توزیع می‌شود، بلکه این نقش‌های احتمال(توابع موج) مورد استفاده برای توصیف حرکت الکترون‌اند که رفتاری شبیه امواج دارند و از معادله‌ی موج پیروی می‌کنند.
نوع دیگری از معادله‌ی شرودینگر که نسبت به حالت اول شکل ساده‌تری دارد، معادله‌ی مستقل از زمان است. برای یک ذره در یک بعد، معادله‌ی مستقل از زمان شرودینگر از معادله‌ی وابسته به زمان به‌دست می‌آید:
(۲-۱)
از رابطه‌ی (۲-۱) مشتق جزئی گرفته و داریم:

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید