بخشی از مقاله
چکیده
در این بررسی، با استفاده از شبیهسازی دینامیک مولکولی، تأثیر قطر نانولوله و همچنین تأثیر شدت برهمکنش آب-کربن در حرکت ترموفورتیک نانوقطره آب محصور در نانولوله کربنی مورد مطالعه قرار گرفته است. سپس نانولوله بورن-نیترید را جایگزین نانولوله کربنی کرده و اثر این تغییر در حرکت گرمایی آب بررسی شده است. شبیهسازیها نشان دادند که برهمکنش آب و کربن در پیشروی آب بسیار مؤثر است. همچنین در هر دو نانولوله آب در خلاف جهت گرادیان دمایی حرکت میکند و در ابتدا سرعت آن با افزایش قطر نانولوله افزایش و سپس کاهش مییابد اما سرعت آب در نانولولههای بورن-نیترید با شعاعی بزرگتر از 0/55 nm مستقل از شعاع نانولوله است و افزایش شعاع نانولوله تأثیری در سرعت آب نخواهد داشت.
مقدمه
از زمان کشف نانولوله کربنی خواص الکتریکی، مکانیکی و گرمایی مانند چگالی پایین، سختی بالا، دوام زیاد، خواص الکترونی فلزی و نیمه رسانایی آنها و ... مورد توجه قرار گرفته است.[1] انتظار میرود که محدود کردن آب، خواص انتقالی آنرا نسبت به آب بالک تغییر دهد.[2] همچنین بررسی برهمکنش آب و کربن در یک محیط آبی بسیار مهم است. وردر نشان داد که تغییر در برهمکنش آب-کربن، تأثیر جدی در زاویه تماس قطرات آب با گرافیت دارد.[3] خواص منحصر به فرد نانولوله کربنی به همراه توانایی آن به برهمکنش با مواد در مقیاس مولکولی، سیستم های جدید انتقال جرم در مقیاس نانو را ایجاد کرده است.
[1] نانوقطعاتی که حالتهای مختلف انرژی را به حرکت مکانیکی تبدیل میکنند به خاطر کاربرد فراوان از ماهیچه مصنوعی گرفته تا ذخیره دارو، بسیار مورد علاقه هستند.اخیراً نشان داده شده است که انرژی گرمایی میتواند محرک خوبی در نانولولهها باشد.[4] استفاده از گرادیان دمایی به منظور انتقال جرم، ترموفورسیس و یا پخش گرمایی نامیده میشود.[5] ترموفورسیس یعنی غلظت مولکولی در مکانهایی که دما به طور جایگزیده بالا میرود کم میشود و مولکولها از قسمت گرم به قسمت سرد حرکت میکنند.[6] این روش، جدیدترین روش انتقال مایعات و جامدات این مقاله به شرط در دسترس بودن در وبگاه www.psi.ir/?physics96 معتبر است.
در نانولولههاست واخیراً قابلیت پیش بردن نانوقطعات جامد و نانوقطرات آب را به طور عملی نشان داده است. این ساختارهای نانومقیاس قادرند انرژی گرمایی را به کار تبدیل کنند و به عنوان نانوموتور در انواع نانوقطعات مانند قطعات حافظه و سیستم های تحویل مواد کپسولی در مقیاس نانو به کار روند.[7] این مکانیسم پیش برنده میتواند نویدی در طراحی وسایل جدید باشد و انتظار میرود که کنترل جریان را در دستگاههای نانوفلوئیدیک به شدت تحت تأثیر قرار دهد.
[8] گونه ای از ناهمگونی در نانولوله های کربنی، تغییر در قدرت برهمکنش بین مولکولهای آب و اتمهای کربن است کهمعمولاً در نانولوله های کربنی عاملدار وجود دارد و یا به علت برخی شرایط محیطی از قبیل میزان قطبش حفره و شرایط قرار گرفتن آن در سیال به وجود می آیند.[9] تغییر قدرت برهمکنش، خواص ترشوندگی یا همان آبدوستی و آب گریزی نانولوله را تحت تأثیر قرار داده و در نتیجه میزان انتقال آب را تغییر میدهد.
برهمکنش بین آب و نانولوله کربنیمعمولاً با برهمکنش دوذره ای استاندارد لنارد-جونز بین اتمهای کربن و اتمهای اکسیژن مولکولهای آب مدلسازی میشود. برای کاهش ترشوندگی نانولوله کربنی، بایستی جاذبه بین دیواره نانولوله و آب را کاهش دهیم، یعنی عمق چاه پتانسیل و یا در واقع قدرت برهمکنش آب و نانولوله را کوچک کنیم. این کاهش در قدرت برهمکنش باعث خاصیت آبگریزی شده و بر روند انتقال آب در نانولوله تأثیر میگذارد .[9] نانولولههای کربنی بسته به شعاع و کایرالیتی نانولوله میتوانند فلز یا نیمهرسانا باشند. مشابه کربن، ترکیبات گروه 3 و 5 نیز میتوانند ساختار لولهای میکروسکوپی داشته باشند. ترکیبی که بیشترین شباهت را به کربن دارد بورن-نیترید - BN - است. از نظر ساختاری آنها شبیه نانولولههای کربنی هستند و اتمهای کربن با اتمهای نیتروژن و بورن جایگزین شده اند اما خواص نانولوله ها بسیار متفاوت است.
نانولولههای BN خاصیت فلزی ندارند و گاف انرژی بزرگتر از 2eV در همه آنها وجود دارد. یونیدگی BN - عدم تقارن پتانسیل - در عامل ساختار، عامل ایجاد گاف است. به خاطر خاصیت یونی بزرگ BN و گاف بزرگش انتظار میرود که خواص یکنواختتری نسبت به نانولوله کربنی داشته باشد و این یک مزیت در تکنولوژی محسوب میشود. زیرا نمونهها با ساختارها و اندازههای مختلف میتوانند با خواص بالک قابل پیشبینی ساخته شوند.[10] در این مقاله سعی بر آن است تا اثر ترموفورسیس را در حرکت آب درون نانولوله کربنی نشان داده و وابستگی این اثر به شعاع نانولوله و همچنین تأثیر قدرت برهمکنش نانولوله کربنی با آب در پیشروی نانوقطره آب مورد بررسی قرار گیرد. سپس به جای نانولوله کربنی از نانولوله بورن-نیترید استفاده و تأثیر این تغییر بررسی میشود.
کلیات شبیهسازی دینامیک مولکولی
سیستم شبیه سازی شامل یک نانولوله کربنی دسته صندلی است که نانوقطره آبی درون آن قرار گرفته و در شکل 1 نشان داده شده است. شبیه سازیها با استفاده از بسته شبیهسازی دینامیک مولکولی لمپس اجرا و شرایط مرزی دورهای در سه جهت اتخاذ شده است. ابعاد جعبه شبیه سازی به اندازه کافی بزرگ انتخاب شده تا مطمئن باشیم تصاویر دورهای با هم برهمکنش ندارند.
شبکه ای نانولولههای کربنی باعث میشود که بتوان انتقال گرما را از نانولوله کربنی به قطره آب آمیخت. در این مطالعه، از یک نانولوله دستهصندلی با کایرالیتی - n,n - که n از 5 تا 12 متغیر است استفاده کردهایم. شعاع نانولوله - r - از رابطه r=3nd/2 به دست می آید که در آن d=1/42Å طول پیوند کربن-کربن است. البته با در نظر گرفتن برهم کنش آب و کربن، شعاع مؤثر - reff - کوچکتر از مقادیر به دست آمده از این رابطه میشود. گام زمانی را 0/1 fs در نظر میگیریم و دمای کل سیستم را برای مدت 0/1ns در 300K تنظیم میکنیم.
بعد از تعادل اولیه در 300K، یک انتهای نانولوله گرم و انتهای دیگر سرد میشود. برای این منظور، دو ترموستات لانژون در دو انتهای نانولوله قرار میدهیم. دمای ترموستات سمت چپ را 400K و دمای ترموستات سمت راست را 200K انتخاب میکنیم و انتقال گرمایی در سیستم شبیهسازی در مدت 200ps ایجاد میشود درحالیکه در طول این مدت از حرکت آب جلوگیری میشود. با اینکار بعد از گذشت مدت زمانی، یک گرادیان دمایی در طول نانولوله برقرار میشود. شار گرما متناسب با اختلاف دماست. بعد از اینکه گرادیان دمایی برقرار شد، درپوشهای گرافنی را برمیداریم و به مدت 0/3ns به نانوقطره آب اجازه حرکت میدهیم و جابجایی آن را بررسی میکنیم. برای اطمینان از درستی محاسبات، همه شبیه سازیها را سه بار با سرعت اولیه متفاوت تکرار کرده ایم.
جدولها ، شکلها و روابط ریاضی
به منظور بررسی اثر گرادیان دما بر حرکت نانوقطره آب و همچنین به منظور درک تأثیر برهمکنش کربن-آب، مکان مرکز جرم آب را بر حسب زمان در نانولولههای کربنی معمولی و نانولولههای کربنی که در آنها قدرت برهمکنش آب و کربن بسیار کاهش یافته است بررسی میکنیم. شکل 2 مکان مرکز جرم آب را در طول زمان - از زمانیکه به نانوقطره آب، اجازه حرکت میدهیم - برای نانولوله های 5 - و - 5، 6 - و - 6 و 7 - و - 7 نشان میدهد. پیداست که در هر سه مورد آب در خلاف جهت گرادیان دمایی یعنی از قسمت گرمتر به قسمت سردتر منتقل میشود و با کاهش قدرت برهمکنش آب-کربن، نانوقطره آب مسیر کمتری را میپیماید.
شکل:2 شکلهای الف، ب و ج مکان مرکز جرم آب را در راستای محور zها بر حسب زمان به ترتیب برای نانولوله های 7 - و - 7، 6 - و - 6 و 5 - و - 5 نشان میدهند. مربعهای آبی نمایشگر مکان آب در نانولوله کربنی معمولی و دایره های قرمز نمایشگر مکان آب در نانولوله های کربنی ای که شدت برهمکنش آب و کربن در آن به شدت کاهش یافته است هستند. برای مشاهده تأثیر شعاع نانولوله در حرکت ترموفورتیک قطره آب، از نانولوله کربنی دسته صندلی 5 - و - 5 شروع کرده و تا نانولوله 12 - و - 12 پیش رفتیم.
با تغییر شعاع در نانولوله کربنی دو رژیمکاملاً متفاوت دیده میشود. در شکل 3 میبینیم که با افزایش شعاع تا نانولوله 9 - و - 9 سرعت پیشروی آب در نانولوله به تدریج افزایش مییابد اما بعد از آن با کاهشی بزرگ در پیشروی آب روبرو هستیم. در ادامه به جای اتمهای کربن در همان ساختار ششگوشی اتمهای بورن و نیتروژن را جایگزین و شبیهسازی را تکرار میکنیم. شکل4 مولکولهای آب را در داخل نانولوله BN نشان میدهد که با نرم افزار VMD به دست آمده است.
