پایان نامه محاسبات کوآنتومی برهم کنش یون های کبالت ، جیوه ، سرب و آلومینیوم با نانو لوله های کربنی و بورنیترید

پایان‌نامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

رشته: شیمی   گرایش: شیمی تجزیه

چکیده

در سال های اخیر، استفاده از نانولوله ها به عنوان نانو حامل های انتقال دارو مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق از نانولوله های کربنی CNT(5-5) و CNT(6-0) و BNNT(6-0) و BNNT(5-5) dopped Ga استفاده شده است.

ابتدا نانولوله ها به‎وسیله نرم افزارهای Gauss View و Nanotube Modeler ترسیم شده و سپس به‎وسیله نرم افزار Gaussian 09  با روش DFT و سری پایه B3LYP/LanL2DZ محاسبه گردید و سپس یونهای سرب (II) ، کبالت (II) و جیوه (II) و آلومینیم (III) در داخل نانولوله هایی قرار گرفت و به روش ذکر شده محاسبه گردید. نتایج حاصل شامل اطلاعات مربوط به انرژی اتصال، ممان دو قطبی، بارهای اتمی، خواص بنیادی (پتانسیل یونش، الکترونخواهی، پتانسیل شیمیایی و سختی و نرمی) و شکاف انرژی HOMO و LUMO محاسبه و ارزیابی شدند و نتایج زیر بدست آمد. از نظر انرژی اتصال و میزان جذب، نانولوله CNT(5,5) بیشترین برهمکنش و جذب را با یون Pb2+ دارد.

از نظر ممان دو قطبی نانولوله BNNT(5,5)dopped Ga بیشترین ممان دو قطبی را با یون Al3+ نشان داده است و ساختار نانولوله CNT(5-5) با یون Al3+ کمترین ممان دو قطبی را دارا است.

مقادیر انرژی یونش نشان داده که ساختار Hg2+ & BNNT-Ga بیشترین انرژی یونش و ساختار Hg2+ & CNT(6,0) کمترین انرژی یونش و بیشترین واکنش پذیری را دارد.

مقادیر شکاف HOMO و LUMO در یونها قبل از برهمکنش با نانولوله ها زیاد و بعد از برهمکنش آن کاهش پیدا کرده است که این کاهش نشان دهنده انتقال بار و افزایش رسانایی می باشد و در بین ساختارها بعد از قرار گرفتن یون در داخل آنها، ساختار Hg2+ & BNNT-Ga بیشترین شکاف و کمترین رسانایی را دارا هستند.

کلیدواژه ها: محاسبات کوآنتومی، برهم کنش یون ها، نانو لوله های کربنی و بور نیتریدو DFT

-1 مقدمه

مدل اتمی بور که تا پیش از پیدایش مکانیک کوانتومی،کاملترین نظریه در توصیف جهان خُرد بود، نمی توانست در مورد قواعد انتخاب اتم هیدروژن اظهار نظر درستی نماید. بر طبق چنین قواعدی که از لحاظ تجربی مشاهده شده بودند، تنها ترازهای معینی از انرژی دیده می شوند. در واقع الکترون اتم هیدروژن، هر انرژی دلخواهی ندارد و تنها مقید به برخی انرژی های معین است. نظریه اتمی بور که امروزه نظریه کوانتوم قدیم خوانده می شود، ریشه های در مکانیک کوانتومی نداشت و اصول خود را از مکانیک کلاسیک به وام می‎گرفت. با این حال، نظریه بور به وضوح، گسستگی ترازهای انرژی را در اتم هیدروژن نشان می داد. در این نظریه علاوه بر انرژی، اندازه حرکت زاویهای هم کمیتی گسسته بود. حتی فضای حرکت الکترون به دور دسته هم محدود به مدارهای خاص با فاصله معینی از هسته می‎شد. تمایز نظریه کوانتوم قدیم و مکانیک کلاسیک در گسسته بودن مقادیر کمیتهایی مثل انرژی و اندازه حرکت زاویه های بود.همان طور که در شکل 1-1 می‎بینید در نظریۀ  بور، الکترون روی ترازهایی با انرژی و شعاع معین از هسته قرار دارد.

 این نظریه عدم سقوط الکترون بر روی هسته اتم هیدروژن را نیز توجیه می نمود. چون الکترون تنها می تواند در مدارهای معینی باشد، در گذر از مداری به مدار دیگر، انرژی از خود نشر میکند که مقدار آن دقیقاً برابر با انرژی جدا کنندگی این دو تراز از همدیگر است. اوایل قرن بیستم آزمایشات جدیدی آغاز شد که نکاتی را در مورد صحت و سقم مکانیک سیالات آشکار ساخت. یکی از آنها که ظرفیت گرمای در حجم ثابت و در فشار ثابت  اجسام بود.[1و11]

طبق نظریۀ کلاسیک و بر اساس اصل همبخشی سهم ارتعاش  باید برابر  باشد اما در عمل وابستگی دمایی زیادی برای  مشاهده شد. در ابتدا ماکس پلانک بود که با فرض گسسته بودن مقادیر انرژی، توانست مدلی رضایتبخش برای توصیف تابش دمایی از یک کاواک فراهم سازد. نظریه ی وی به دلیل این فرض بسیار عجیب و غیرمتداول که انرژی مقادیر گسسته ای دارد، طرد شد. اما چند سال بعد اَینشتن در آزمایش فتوالکتریک درستی این فرض را نشان داد. وی طی آزمایشی که به اثر فتوالکتریک معروف شد نشان داد که تنها مقادیر معینی از انرژی مجاز هستند و انرژی، کمیتی گسسته است. در این آزمایش سطح صاف فلزی مانند  را تحت تابش قرار می دهند و دو سر آن را به دو الکترود وصل می‎کنند. جریان الکتریکی ناشی از کنده شدن الکترونها باعث ثبت اختلاف ولتاژ میشود. در این آزمایش نور رفتار بسیار متفاوتی با آنچه که در مورد آن دانسته می شد ارائه داد.[1]

طبق مکانیک کلاسیکی فرض می شود که انرژی تابش متناظر با شدت تابش است. بنابراین در آزمایش فتوالکتریک انتظار می رفت که با افزایش شدت نور تابیده شده به سطح فلز، جریان بیشتری حاصل آید. اما در عمل با افزایش شدت نور هیچ تغییری در جریان خروجی حاصل نشد. از سوی دیگر در مکانیک کلاسیک با افزایش فرکانس نباید تغییری در شدت جریان رخ دهد. اما مشاهده شد که با افزایش فرکانس و رسیدن به حد معینی (فرکانس آستانه) شدت جریان زیاد میشود. پس آزمایش نشان می دهد که انرژی به فرکانس بستگی دارد. آینشتن سرانجام رابطۀ زیر را برای توصیف این پدیده پیشنهاد نمود:

در اینجا  فرکانس آستانه است که اگر فرکانس تابش کمتر از آن باشد جذبی صورت نمیگیرد و  انرژی جنبشی الکترون خروجی از سطح است. وی پیشنهاد نمود که نور باید رفتار غیر موجی داشته باشد و باید ذرهای عمل نماید. پیش از این نیز نیوتن ماهیت ذرهای برای نور قائل بود. اما آزمایش هایی مثل آزمایش یانگ (آزمایش دو شکاف) موجی بودن نور را نشان میدادند. در آزمایش یانگ با گذشتن نور از دو شکاف در کنار هم الگوی پراشی در پرده مشاهده می شود که به سادگی از مکانیک موجی نتیجه گرفته می‎شود[8و1].

شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف

اما نظریه‎ی کوانتومی بر پایه‎ی گسسته بودن مقادیر کمیت‎ها به رشد خود ادامه داد و پس از فرمول‎بندی در سال 1925 توسط هایزنبرگ و 1926 توسط شرودینگر تا اوایل دهه چهل، آن قدر مسائل لاینحلی را حل نمود که قابل تصور نبود. مکانیک کوانتومی نظریه ای کاملاً آماری است و بسیاری از قواعد آماری کلاسیک در آن موجود هستند. با این تفاوت که آمار در مکانیک کلاسیک برای مجموعه ای از سیستم ها و به دلیل جهل ما از وضعیت کامل سیستم استفاده می‎شد، اما در مکانیک کوانتومی به دلیل این که پدیده‎ها ذاتاً آماری هستند مورد استفاده قرار میگیرد. حتی آمار کوانتومی برای تک سیستم های منفرد وجود دارد. مضاعف بر این که احتمال در مکانیک کوانتومی ارجاع به وضعیت حال سیستم ندارد و تنها در مورد پس از انجام عمل اندازه گیری است. اما در مکانیک کلاسیک، احتمال وضعیت فعلی سیستم را تشریح می‎کند.[8]

به فاجعه ماوراءبنفش معروف شد شکست مطلق مکانیک آماری کلاسیک در توصیف تغییرات مضرّات و آثار سوء کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت مربوط به انواع مختلف آلودگی[1] آب، هوا، خاک، پسماندهای خطرناک[2]، فلزات سنگین و غیره بر کسی پوشیده نیست. امروزه در سراسر گیتی، هزینه هایی گزاف در راستای کنترل و بی خطرسازی آلاینده ها مصرف می گردد و بدیهی است کشور ما نیز با توجه به روند پرشتاب توسعه، از این امر مستثنی نخواهد بود. بنابراین، هرگونه پژوهش مفید در این زمینه ها می تواند کمکی قابل ملاحظه به حفاظت و صیانت از محیط زیست و تضمین سلامت مردم نماید؛ ضمن آنکه پدیده مخرب ریزگردها[3] را نیز که استان های کشور به طور جدی با آن دست به گریبان هستند نباید به فراموشی سپرد.

از طرف دیگر، پدیده های مرتبط با مقیاس نانو در بسیاری از فرآیندهای محیط زیستی غالب هستند؛ بنابراین، اینگونه میانکنش ها دارای اهمیت ویژه در حوزه محیط زیست و سلامت انسان می‎باشند. با توجه به اینکه واکنش های رایج در مقیاس نانو، ذاتاً در سطح مولکولی روی می دهند، هماهنگی دقیق در خصوص مطالعه ذراتِ در مقیاس نانو مرتبط با سیستم های طبیعی از یکسو، و قوانین شیمی کوانتومی[4] و شیمی محاسباتی[5]  وجود دارد. [9و7]

 مبنای شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، مدلسازی و انجام محاسبات بسیار پیچیده، طولانی و زمان بر،  براساس تحلیل انواع مختلف معادلات شرودینگر[6] و دیگر مدلهای ریاضی پیشرفته در مکانیک کوانتومی میباشد که از طریق به کارگیری کامپیوترهای با کیفیت و قدرتمند و استفاده از نرم افزارهای کاملاً تخصصی، مطالعه و پژوهش در این زمینه ها انجام می‎پذیرد.

نظر به اینکه ذرات بسیار ریز مقیاس، ویژگی های خاصی را از خود نشان می‎دهند به طوری که می‎توان آنها را به تفکیک مطالعه کرد و همچنین واکنش های آنها را در ارتباط با سایر نانوذرات بررسی نمود، توجهی خاص به پژوهش در این مسیر معطوف شده است. به ویژه در مورد نانوذرات، بررسی خصوصیاتِ مرتبط با مقیاس اتمیِ اینگونه ذرات در محیط زیست، انواع برهم‎کنش های احتمالی و به خصوص، امکان پیش بینیِ نتایجِ متنوع حاصله و مسیرهای کنترل آنها در محیط زیست، حائز اهمیت فوق العاده است.

در اغلب موارد، نانوذرات با به اصطلاح میزبان‎هایی دیگر نیز مرتبط و همساز می‎باشند؛ بطور مثال، از اینگونه میزبان ها در محیط زیست می توان به نانوذرات فلزی موجود در سولفیدها، هسته های کربنی ترکیبات آلی، سولفیدهای آرسنیک، سولفیدها یا اکسیدهای آهن و همچنین نانوذرات اتمسفری موجود در ریزگردها اشاره نمود.ساختار نانوذرات، پایداری، ویژگی های شیمیایی، بار الکتریکی، حالات الکترونی، خصوصیات مغناطیسی و سرانجام، میانکنش های نانوذرات در محیط زیست، بستگی به نحوه ارتباطات آنها با سایر ذرات، مولکولها و میزبان ها دارد؛ بنابراین، مهندسی مولکولی و درک دقیق اینگونه ارتباطات در سطح اتمی بسیار ضروری است. [6و1]

ب) اهمیت شیمی کوانتومی در محیط زیست:

به منظور مطالعه و دریافت جزئیات ویژه مربوط به موارد فوق الاشاره در هر مکان جغرافیایی و زیست محیطی خاص، لازم است ترکیبی از روش های علمی مدرن در مقیاس نانوذرات به کار گرفته شود؛ در این خصوص، مهمترین تکنیک برای درک کامل فرآیندهای شیمی– فیزیکی مشاهده شده، استفاده از شبیه سازی ها[7] و روش های علمی سطح بالا مبتنی بر مکانیک کوانتومی[8]، شیمی کوانتومی، شیمی محاسباتی و دینامیک مولکولی[9] می‎باشد. بعلاوه، با توجه به اینکه دستیابی به بسیاری از ویژگی های ساختاری و الکترونی نانوذرات و چگونگی ارتباطات و واکنش های آنها با سایر ترکیبات در محیط زیست، به صورت آزمایشگاهی بسیار مشکل و حتی در مواردی غیر ممکن است، شبیه سازی های دقیق مولکولی میتوانند به نحوی شایسته و قابل توجه، منجر به درک پدیده ها و فرآیندهای مقیاس نانو و خواص مولکولی شوند که از جمله می توان به طول و زاویه پیوندها، ممان دو قطبی، تفاوت سطوح انرژی، توضیح طیف های مولکولی، پایداری مولکول ها، پیش بینی خواص آروماتیکی، فرکانس ها و شدت خطوط طیفی، مکانیسم واکنشهای الکتروشیمیایی و ... اشاره نمود.

Abstract

Nowadays nanotubes have been investigated as drug delivery nanocarrier systems for many applications. In this study we have used carbon nanotubes such as CNT (5-5) and CNT (6-0) and BNNT (6-0) and dopped Ga and BNNT (5-5). First, carbon nanotubes have been drawn by the Gauss View and Nanotube modeler software and then were determined by Gaussian 09 software using LanL2D2 method and B3LYP / DFT base series and then lead ions (II), cobalt (II) and Hg (II) and aluminum were used in the nanotubes and were determined through the methods listed. The results were evaluated, including information regarding the binding energy, dipole moments, atomic charges, basic properties (ionization potential, electron affinity, chemical potential, hardness and softness) and Homo and Lumo energy gap and the findings were as follows: In the terms of the binding energy and absorption (Ebinding), CNT(5,5) nanotubes has the most interaction with the Pb2+ ion. Nanotubes BNNT(5,5)dopped Ga has shown the most dipole moment with Al3+ ion regarding the dipole moment and nanotube structure CNT(5-5) display the lowest dipole moment with Al3+ ion. The amount of ionization energy indicated that Hg2+ and BNNT-Ga has the most ionization energy and the Hg2+ and CNT(6,0) has the lowest ionization energy and the most reactivity. Homo and Lomo gap has increased in ions before interactions with the nanotubes and has decreased after interactions. Finally, after using ions within the structures, the most gap and the lowest conductivity was related to Hg2+ and BNNT-Ga structure.

Key Words: Quantum computing, Interaction of ions, Carbon nanotubes