بخشی از مقاله
چکیده: فرآیند نمک زدایی از آب به روش شبیهسازی دینامیک مولکولی و توسط نانولولههای صندلی شکل سیلیکون کاربیدی تحت اثر میدان الکتریکی و در دماهای 298، 323 و 348 درجه کلوین مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور نانولولههای سیلیکون کاربیدی با کایرالیتهی 7 - ، - 7 و 8 - ، - 8 تعبیه شده در یک غشاء سیلیکون نیتریدی که در محلول آبی شامل سدیم کلرید 0/4 مولار قرار داشت مورد استفاده قرار گرفت.
میدان الکتریکی در جهت محور z سیستم به آن اعمال شد. نتایج نشان داد که نانولولهی 7 - ، - 7 برای جداسازی یونهای سدیم و نانولولهی 8 - ، - 8 برای جداسازی یونهای کلرید از محلول آبی مناسب اند. به منظور مطالعهی سیستم، محاسبات پتانسیل نیروی میانگین، تعداد یونهای عبور کرده از نانولولههاو جریان یونی مورد بررسی قرار گرفت.
تا به امروز بهعنوان یک نانولولهی گزینشپذیر مورد مطالعه قرارگرفتهاند .[2] از کاربردهای اصلی نانولولههای سیلیکون کاربیدی میتوان به گزینشپذیری آنها [2]، شناسایی گازها توسط این مواد [4 ,3]، ذخیرهسازی انرژی [6 ,5] و دارورسانی [7] آنها اشاره کرد که این کاربردها بهصورت تئوری توسط نانولولههای سیلیکون کاربیدی بررسی شدهاند.
به عنوان مثال ژائو و دینگ1 در سال 2009 از نانولولههای تک دیوارهی سیلیکون کاربیدی بهعنوان سنسور گاز CO2 استفاده کردند چرا که نانولولههای کربنی توانایی شناسایی این گاز را نداشتند .[3] در کار پژوهشی دیگری، وو2 و همکارانش در سال 2011 از نانولولههای SiC برای شناسایی HCHO، که مادهای بسیار سمی است و باعث ایجاد بیماری سرطان میشود استفاده کردند و از روش DFT برای انجام محاسبات خود بهره گرفتهاند .[4] در روش شبیهسازی دینامیک مولکولی با استفاده از میانگین زمانی، کمیتهایی که با دینامیک مولکولی سیستم مرتبطاند را می توان محاسبه کند. بنابراین در این مطالعه سعی بر آن شد که با استفاده از این روش توانایی جداسازی یونهای سدیم و کلرید از آب را مورد مطالعه قرار دهیم.
مراحل انجام شبیهسازی
ابتدا نانولولههای مورد نظر با استفاده از نرمافزارهای جانبی با طول مناسب ایجاد شدند و سپس ساختار هندسی آنها با کمک روش تئوری تابع چگالی - DFT - 3 بهینه شد. در بخش شبیهسازی دینامیک مولکولی از نرمافزار [8] NAMD جهت انجام شبیهسازیها استفاده شد و برای آنالیز دادههای شبیهسازی نرمافزار [9] VMD مورد استفاده قرار گرفت. ساختار نهایی سیستم شامل جعبهای به اندازهی 34×39×80 Å3 است که در آن یک غشاء سیلیکون نیتریدی در وسط جعبه قرار گرفته و نانولوله-های سیلیکون کاربیدی مورد نظر در وسط آن تعبیه شدند و یونها و مولکولهای آب در دو طرف غشاء حضور دارند. شمای کلی سیستم در شکل زیر قابل مشاهده است.
شکل -1 شمای کلی از سیستم شبیهسازی شده شامل نانولولهی سیلیکون کاربید قرار گرفته در غشاء سیلیکون نیترید - سدیم: سبز، کلرید: بنفش - . شبیهسازی ها در سه مرحله انجام شد: در مرحلهی اول سیستم در دمای صفر درجه به تعال رسید، در مرحلهی دوم افزایش دمای سیستم تا 298 درجه کلوین صورت گرفت و در مرحلهی سوم شبیهسازی دینامیک مولکولی برای مدت زمان 5 نانوثانیه در دماهای 298، 323 و 348 درجه کلوین تحت اعمال نیروی الکتریکی صورت گرفت.
در طول مراحل دوم و سوم از ترموستات Langevin برای کنترل دمای سیستم استفاده شد. برای مطالعه سیستم مورد نظر از شرایط پریودیک در طول شبیهسازی استفاد شد. همچنین از روش PME4 برای محاسبه برهمکنشهای الکترواستاتیکی استفاده شد و فاصله قطع - Cutoff - برای برهمکنشهای واندروالسی 12 آنگستروم در نظر گرفته شد.
نتایج و بحث
در این مطالعه، از روش شبیهسازی دینامیک مولکولی برای جداسازی یونهای سدیم و کلرید از آب توسط نانولولههای سیلیکون کاربیدی با کایرالیتهی 7 - ، - 7 و 8 - ، - 8 استفاده شد. محاسبات پتانسیل نیروی میانگین، تعداد یونهای عبور کرده از نانولولهها، جریان یونی و زمان بازداری یونها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش شدت میدان اعمالی به سیستم، تعداد یونهای سدیم و نیز کلرید عبور کرده از نانولولهها افزایش یافته است. علاوه بر این مشاهده شد که افزایش دمای سیستم اثر صعودی روی تعداد یونهای عبوری از نانولولهها داشته است.
عبور کرده از نانولولهها افزایش یافته که در نتیجهی آن جریان عبوری نیز افزایش مییابد. همچنین مشاهده شد که با افزایش دمای سیستم، جریان عبوری از هر یک از نانولولهها افزایش می-یابد. شکل - a - -2 تعداد یونهای سدیم عبوری از نانولوله 7 - ، - 7 و - b - تعداد یونهای کلرید عبوری از نانولوله 8 - ، - 8 در دماها و میدانهای مختلف. در اثر عبور یونهای سدیم از نانولولهی 7 - ، - 7 و کلرید از نانولولهی 8 - ، - 8 سیلیکون کاربیدی هدایت یونی قابل محاسبه خواهد بود. بدین منظور هدایت یونهای عبوری محاسبه گردید که نتایج آن در شکل 3 مشاهده میشود.
این شکل نمودار هدایت در برابر ولتاژ اعمال شده را برای یونهای سدیم و کلرید در نانولولهها نشان میدهد. همانگونه که ملاحظه میشود، با افزایش میدان اعمال شده به سیستم، جریان عبوری نیز افزایش مییابد. در واقع، با افزایش میدان اعمال شده تعداد یونهای پارامتر دیگری که مورد بررسی قرار گرفت پتانسیل نیروی میانگین است. این پارامتر جهت بررسی عبور یا عدم عبور یون-های مورد نظر از نانولولههای استفاده شده محاسبه شد.
همانگونه که در شکل نیز مشاهده میشود برای یونهای کلرید در نانولولهی 7 - ، - 7 یک سد پتانسیل و برای یونهای سدیم یک چاه پتانسیل وجود دارد. و در مورد نانولولهی 8 - ، - 8 عکس این پدیده رخ داده است. این روند معکوس در نمودار پتانسیل نیروی میانگین نشانگر عبور انتخابی یونهای مختلف از نانولوله-ها است. به طوری که وجود چاه پتانسیل برای یون سدیم در نانولولهی 7 - ، - 7 بیانگر گزینش پذیری این نانولوله نسبت به یون سدیم است.
