Get a site

پایان نامه :مطالعاتAb-initio و DFT بر روی پایداری ترمودینامیکی نانولوله‌های بورون نیترید و بررسی NMRآن درحلال‌های مختلف

پایان نامه رشته شیمی

گرایش :شیمی فیزیک

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 ترمودینامیکی نانولوله‌های بورون نیترید و بررسی  NMRآن درحلال‌های مختلف

 

استاد راهنما:

دکتر علی شامل

 

استاد مشاور:

دکتر  سحر مهاجری

 

پائیز ۹۱

فهرست مطالب
 
چکیده ۱
فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته. ۲
۱-۱- مقدمه. ۳
۱-۲- نانو تکنولوژی ۳
۱-۳- نیروهای مؤثر در ابعاد نانومتری ۴
۱-۳-۱- نیروهای واندروالس. ۴
۱-۳-۲- نیروهای کوالانسی ۴
۱-۳-۳- نیروهای غیرموضعی بدون جهت ۵
۱-۴- انواع نانوساختارها ۵
۱-۵- نانو لوله‌ها ۶
۱-۶- نانو لوله‌های بورون نیترید. ۸
۱-۶-۱- تاریخچه‌ی مختصری از تهیه‌ی نانو لوله‌های بورون نیترید. ۹
۱-۶-۲- پیکربندی نانو لوله‌های بورون نیترید. ۱۰
۱-۶-۳- انواع ساختارهای نانو لوله بورون نیترید. ۱۰
۱-۶-۴- روش‌های ساخت نانولوله بورون نیترید. ۱۱
۱-۶-۴-۱- سایش با لیزر. ۱۲
۱-۶-۴-۲- رسوب‌گیری بخار شیمیایی (CVD) 12
۱-۶-۴-۳- تخلیه قوس الکتریکی ۱۳
۱-۶-۴-۴- اتوکلاو. ۱۳
۱-۶-۵- مقایسه‌ی خواص نانو لوله بورون نیترید با نانو لوله‌ی کربنی ۱۳
۱-۶-۵-۱- الکترونگاتیویته. ۱۴
۱-۶-۵-۲- شکل ظاهری ۱۵
۱-۶-۵-۳- رسانایی و لومیسانس. ۱۵
۱-۶-۵-۴- خواص مکانیکی و حرارتی ۱۶
۱-۶-۵-۵- کاربرد. ۱۶
۱-۶-۶- کاربردهای نانو لوله بورون نیترید. ۱۶
۱-۶-۶-۱- ذخیره هیدروژن. ۱۶
۱-۶-۶-۲- نانو پرکننده در کامپوزیت‌ها ۱۶
۱-۶-۶-۳- سازگاری با بافت زنده و کاربرد آن. ۱۷
۱-۶-۶-۴- کاربردهای دیگر. ۱۷
۱-۷- مروری بر تحقیقات گذشته. ۱۹
فصل دوم: مباحث تئوری ۲۶
۲-۱- مقدمه. ۲۷
۲-۲- مکانیک مولکولی (MM) 27
۲-۳- مکانیک کوانتومی (QM) 28
۲-۳-۱- روش‌های نیمه تجربی ۳۱
۲-۳-۱-۱- روش‌های تجربی میدان نیرو(مکانیک مولکولی) ۳۱
۲-۳-۲- روش‌های ab-initio. 32
۲-۳-۳- توانایی‌های روش ab-initio. 32
۲-۳-۴- محدودیت‌های روش ab-initio. 33
۲-۳-۵- نکات قوت روشن ab-initio. 33
۲-۳-۶- توابع پایه (basis set) 33
۲-۳-۶-۱- سری‌های پایه‌ی ظرفیتی ـ شکافته. ۳۴
۲-۳-۶-۲- سری پایه‌ی قطبیده ۳۵
۲-۳-۶-۳- سری پایه پخش شده ۳۵
۲-۳-۶-۴- سری پایه‌ی اندازه‌ی حرکت زاویه‌ای بالا. ۳۵
۲-۳-۷- روش هارتری ـ فاک. ۳۶
۲-۳-۷-۱- روش هارتری ـ فاک محدود شده (RHF) و محدود نشده (UHF) 37
۲-۳-۸- گرادیان و مشتقات مرتبه‌ی دوم هارتری ـ فاک. ۳۷
۲-۳-۹- همبستگی الکترونی ۳۷
۲-۳-۱۰- تئوری اختلال. ۳۸
۲-۳-۱۱- تئوری تابع چگال. ۳۹
۲-۳-۱۱-۱- معادلات کوهن ـ شم. ۴۱
۲-۳-۱۱-۲- اوربیتال‌های کوهن ـ شم. ۴۲
۲-۳-۱۱-۲- روش چگالی موضعی (LDA) 44
۲-۳-۱۱-۴- روش‌های تصحیح گرادیان. ۴۶
۲-۳-۱۱-۵- مزایا و معایب روش DFT. 46
۲-۴- روش‌های کامپیوتری ۴۸
۲-۴-۱- گوسین ۹۸ (Gaussian 98) 48
۲-۴-۲- نرم‌افزار Gauss view 50
۲-۴-۳- هایپر کم. ۵۰
۲-۴-۴- Chem Draw 51
۲-۵- تاریخچه‌ی NMR 51
۲-۶- محاسبات آغازین پارامترهای NMR 52
۲-۶-۱- روش‌های محاسبات کامپیوتری ۵۳
۲-۶-۲- روش GIAO 53
۲-۶-۳- روش LGLO 54
فصل سوم: روش کار و بررسی داده‌ها ۵۶
فصل چهارم: نتایج ۷۵
۴-۱- بررسی نتایج حاصل برای ساختار B21N21 در فاز گازی و دمای ۲۹۸ کلوین. ۷۶
۴-۲- بررسی نتایج حاصل برای ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف. ۷۹
منابع ۹۰
 
فهرست جداول
جدول (۱-۱) ویژگی‌های نانو لوله بورون نیترید در مقایسه با نانو لوله کربنی ۱۴
جدول (۱-۲) بهبود هدایت گرمایی کامپوزیت‌های پلی مری نانو لوله‌های بورون نیترید. ۱۷
جدول (۲-۱) مقایسه‌ی عملکرد روش‌های مختلف DFT (شباهت نتایج حاصل از روش MP2 یا روش تئوری تابعیت قابل توجه است) ۴۷
جدول (۳-۱) مقادیر پارامترهای ترمودینامیکی برای نانو لوله B21N21 تحت متدها و توابع گوسی مختلف در محیط گازی و دمای ۲۹۸ کلوین   ۶۱
جدول (۳-۲) مقدار گشتاور دو قطبی ترکیبی B21N21 در متدها و توابع کوسی مختلف در فاز گاز و دمای ۲۹۸ کلوین ۶۱
جدول (۳-۳) توابع ترمودینامیکی به‌دست آمده در حال‌های مختلف تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G 63
جدول (۳-۴) بارکلی ایجاد شده در حلال‌‌های مختلف ۶۴
جدول (۳-۵) مقدار گشتاور دو قطبی ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال‌های مختلف ۶۵
جدول (۳-۶) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در فاز گاز و دمای ۲۹۸ کلوین   ۶۶
جدول (۳-۷) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال آب ۶۸
جدول (۳-۸) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال نیترومتان  ۶۹
جدول (۳-۹) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال اتانول. ۷۰
جدول (۳-۱۰) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال استون  ۷۱
جدول (۳-۱۱) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال دی‌کلرواتان  ۷۲
جدول (۳-۱۲) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال کلروفرم  ۷۳
جدول (۳-۱۳) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به ترکیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه ۶-۳۱G در حلال تترا کلرید کربن   ۷۴

فهرست اشکال و نمودار

شکل (۱-۱)الف: ساختار کلی نانو لوله‌های تک لایه و چند لایه. ۶
ب: نانو لوله تک لایه و چند لایه کربنی ۶
شکل (۱-۲)الف: ساختار نانو لوله کربنی بسته با پیکربندی (a) صندلی شکل (b) زیگزاگی و (c) کایرال. ۸
ب: ساختار نانو لوله بورون نیترید باز با پیکربندی (a) صندلی شکل (b) زیگزاگی و (c) کایرال. ۸
شکل (۱-۳) ساختار نانو لوله بورون نیترید با فرمول عمومی  برای ۱۰-۱=n. 9
شکل (۱-۴) ساختارهای (a) صندلی، (b) زیگزاگ و (c) کایرال نانو لوله بورون نیترید. ۱۱
شکل (۱-۵) نانو لوله کربنی و نانو لوله بورون نیترید. ۱۴
شکل (۱-۶) شکل ظاهری نانو لوله کربنی (a) و نانو لوله بورون نیترید (b) 15
شکل (۱-۷) (a) تصویر TEM از نانو لوله بورون نیترید با ساختار فنجانی انباشته. (b) تصویر بزرگنمایی شده HREM نانو لوله (c) مدل ساختاری نانو لوله دارای چهار دیواره‌ای با ساختار فنجانی انباشته (d) تصویر TEM از نانو لوله بامبو مانند و (e) تصویر بزرگنمایی شده HREM مربوط به بخشی از تصویر d که با فلش سفید نشان داده شده است. ۱۸
شکل (۳-۱) ساختار B21N21 از ابعاد مختلف ۵۹
شکل (۴-۱) نمودار انرژی آزاد گیبس در متدها و توابع پایه‌ی مختلف ۷۶
شکل (۴-۲) نمودار آنتالپی در متدها و توابع پایه‌ی مختلف ۷۷
شکل (۴-۳) نمودار انرژی درونی در متدها و توابع پایه‌ی مختلف ۷۷
شکل (۴-۴) نمودار zero point energy در متدها و توابع پایه‌ی مختلف ۷۸
شکل (۴-۵) نمودار ممان دو قطبی سیستم B21N2 در متدها و توابع پایه‌ی مختلف ۷۹
شکل (۴-۶) نمودار گشتاورهای دو قطبی سیستم B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۰
شکل (۴-۷) نمودار бise برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۰
شکل (۴-۸) نمودار бaniso برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۱
شکل (۴-۹) نمودار d برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۱
شکل (۴-۱۰) نمودار h برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۲
شکل (۴-۱۱) نمودار Dб برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۲
شکل (۴-۱۲) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در فاز گازی و دمای ۲۹۸ کلوین ۸۳
شکل (۴-۱۳) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در حلال آب ۸۳
شکل (۴-۱۴) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در نیترومتان. ۸۴
شکل (۴-۱۵) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در اتانول. ۸۴
شکل (۴-۱۶) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در استون. ۸۵
شکل (۴-۱۷) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در ۲ و ۱- دی‌کلرو اتان. ۸۵
شکل (۴-۱۸) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در کلروفرم. ۸۶
شکل (۴-۱۹) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در تتراکلرید کربن ۸۶
شکل (۴-۲۰) نمودار بار کلی اتم‌ها بر حسب ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف ۸۷
شکل (۴-۲۱) نمودار بارکلی اتم‌ها بر حسب ساختار B21N21 در فاز گازی و دمای ۲۹۸ کلوین ۸۷
شکل (۴-۲۲) نمودار بارکلی اتم‌ها برحسب ساختار B21N21 در حلال قطبی آب ۸۸
شکل (۴-۲۳) نمودار بارکلی اتم‌ها برحسب ساختار B21N21 در حلال غیرقطبی تتراکلریدکربن ۸۸
 

فصل اول

مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

 

۱-۱- مقدمه

با نگاهی به تاریخ علم و تکنولوژی می‌توان مشاهده کرد که اختراع و اکتشافات جدید راهبردی نو در عرصه زندگی بشر ایجاد کرده است، به گونه‌ای که هر اختراع و اکتشافی 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 ۱۹۵۹ سالی تاریخی برای علوم و تکنولوژی است زیرا در این سال اتفاق‌های عظیمی به وقوع پیوست که شامل پرتاب اولین شیء فضایی به ماه، ساخت اسیدهای نوکلئیک مصنوعی و ساخت اولین دستگاه زیراکس بود.[۳]
در روزهای آخر سال ۱۹۵۹ ریچارد فاینمن[۱] مشهورترین فیزیکدان دهه‌ی ۶۰ میلادی، پیشنهاد کرد که می‌توان اتم‌های مجزا را دستکاری کرد و مواد و ساختارهای کوچکی را تولید نمود که خواص متفاوتی دارد. در آن زمان این فعالیت را نانوتکنولوژی نمی‌نامیدند. ریجارد فاینمن در سال ۱۹۶۵ موفق به ساخت سیلیکون‌های منفذدار و تولید نانوذرات فلزی شد و در همین سال برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک شد. اریک درکسلر؛ دانشجوی فاینمن فعالیت‌های استاد خود را ادامه داد و یک تصویر اساس سیستم‌های ماشینی مولکولی ارائه داد و به فعالیت‌های خود و استادش نام «نانوتکنولوژی[۲]» داد. در سال ۱۹۶۶ ریچارد فاینمن موفق به ساخت اولین وسیله در حد نانو شد.[۳]
پیشوند نانو در اصل یک کلمه‌ی یونانی است. معادل لاتین این کلمه Dwarf است که به معنی کوتوله و کوتاه قد است. یک نانومتر یک میلیاردیم متر () است. این مقدار حدود ۴ برابر قطر یک اتم است، مکعبی با ابعاد ۲/۵ نانومتر ممکن است حدود ۱۰۰۰ اتم را شامل شود.[۴]

۱-۲- نانو تکنولوژی

نانوتکنولوژی، از دو بخش نانو و تکنولوژی تشکیل یافته است. نانو از کلمه‌ی یونانی نانوس به معنای کوتوله آمده است و به پیشوند ۹-۱۰ متر اطلاق می‌شود. در بخش دوم یعنی تکنولوژی، سخن از یک علم جدید و ناآشنا نیست بلکه فن و تکنیکی است که به ما می‌آموزد چطور از دانسته‌های قبلی خود استفاده کنیم.
به بیان ساده علم نانو مطالعه‌ی اصول اولیه‌ی مولکول‌ها و ساختارهای با ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می‌نامیم. نانو تکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاه‌های با اندازه‌ی نانومتری است.[۳]
تعریف دیگری که می‌توان از نانو تکنولوژی ارائه نمود این است که نانوتکنولوژی شکل جدیدی از ساخت مواد به وسیله‌ِی کنترل و دستکاری واحدهای ساختمانی آنها در مقیاس نانو می‌باشد. می‌توان گفت که نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه‌ها و سیستم‌ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند.[۲]
شاید این سؤال در ذهن به وجود آید که چه چیزی در مقیاس نانومتر وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه‌ی آن بنا نهاده شده است، آنچه باعث ظهور نانوتکنولوژی شده نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است، این موضوع یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو است. در مقیاس نانو اشیاء شروع به تغییر رفتار می‌کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده‌ای ماده غلبه می‌کند. در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارد نقض می‌شوند. در حقیقت در این مقیاس قوانین فیزیک کوانتوم وارد صفحه می‌شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده وجود نخواهد داشت.[۱]

۱-۳- نیروهای مؤثر در ابعاد نانومتری

نیروهایی که اتم‌ها را با یکدیگر پیوند می‌دهند به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

۱-۳-۱- نیروهای واندروالس[۳]

این نیروها در جایی که خوشه‌ها (مجموعه‌ی چند ده یا چند صد اتم که در کنار یکدیگر جمع شده باشند) از تجمع اتم‌های گاز نجیب در کنار یکدیگر تشکیل شده باشند عمل کرده و پیوند ضعیفی بین اتم‌ها برقرار می‌کنند برای مثال می‌توان به اشاره نمود.
[۱] . Richard Feynman
[۲] . nano technology
[۳] . vanderwaals force
تعداد صفحه :۱۰۵
قیمت : ۱۴۷۰۰ تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ****       [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.