بخشی از مقاله
چکیده: جداسازی یونهای نیترات به عنوان آلاینده از محلول آبی، توسط نانولوله صندلی شکل سیلیکون کاربیدی با روش دینامیک مولکولی شبیهسازی شد. بدین منظور نانولوله سیلیکون کاربیدی با کایرالیتهی 8 - ، - 8 تعبیه شده در یک غشاء سیلیکون نیتریدی که در محلول آبی شامل سدیم نیترات قرار داشت مورد استفاده قرار گرفت. میدان الکتریکی در جهت محور z سیستم به آن اعمال شد و در اثر اعمال آن یونهای نیترات با موفقیت توسط این نانولوله از محلول جداسازی شدند. به منظور مطالعهی سیستم، دانسیتهی مولکول-های آب در داخل نانولوله، تعداد یونهای عبور کرده از نانولوله، جریان یونی و زمان بازداری یونها مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
نیترات یک مادهی غذایی مهم برای رشد گیاهان محسوب میشود، از اینرو استفاده از کودهای شیمیایی نیتروژنی در زمین-های کشاورزی برای افزایش تولید محصولات امری بدیهی است. افزایش غلظت نیترات در آبهای سطحی و زیرزمینی در اثر استفادهی بیش از حد کودهای نیتروژنی و نیز دفع فاضلاب-های شهری و صنعتی تصفیه نشده است که به یک مشکل جهانی زیست محیطی تبدیل شده است.
افزایش غلظت نیترات در منابع آب موجب بروز پدیدهی اتروفیکاسیون در محیطهای آبی مثل خلیجها، دریاچهها و برکه ها میشود. در اثر اتروفیکاسون رشد جلبکها و گیاهان آبزی تسریع شده که به نوبهی خود میتواند زندگی ماهیها و دیگر آبزیان را به مخاطره بیاندازد. علاوه بر این حضور غلظتهای زیاد نیترات در منابع آب آشامیدنی، موجب بروز خطرات بالقوهای برای سلامتی انسانها و حیوانات خواهد شد [2 , 1] نانولولههای سیلیکون کاربیدی، دستهی جدیدی از نانولولهها هستند که برای اولین بار در سال 2001 سنتز شدهاند و تا به امروز بهعنوان یک نانولولهی گزینشپذیر مورد مطالعه قرارگرفتهاند .[3]
از کاربردهای اصلی نانولولههای سیلیکون کاربیدی میتوان به گزینشپذیری آنها [3]، شناسایی گازها توسط این مواد [5 ,4]، ذخیرهسازی انرژی [7 ,6] و دارورسانی [8] 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 .[4]
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 .[5] 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 نیترات از آب را مورد مطالعه قرار دهیم.
مراحل انجام شبیهسازی
ابتدا نانولولهی مورد نظر با استفاده از نرمافزارهای جانبی با طول مناسب ایجاد شد و سپس ساختار هندسی آن با استفاده از روش تئوری تابع چگالی - DFT - 3 بهینه شد. در بخش شبیهسازی دینامیک مولکولی از نرمافزار [9] NAMD جهت انجام شبیهسازیها بهره گرفته شد و برای آنالیز دادههای شبیهسازی نرمافزار [10] 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 نانولولهی سیلیکون کاربیدی مورد نظر در وسط آن تعبیه شده 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، نیتروژن: آبی، اکسیژن: سفید - . 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 دمای 298 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 نیترات از آب توسط نانولولهی سیلیکون کاربیدی با کایرالیتهی 8 - ، - 8 استفاده شد. دانسیتهی مولکولهای آب درون نانولوله، تعداد یونهای عبور کرده، جریان یونی و زمان بازداری یونها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش شدت میدان اعمالی به سیستم، تعداد مولکولهای آب عبور کرده از نانولوله افزایش یافته است که این خود منجر به افزایش دانسیتهی مولکولهای آب داخل نانولوله شده است - شکل . - 2 در واقع با افزایش میدان اعمالی تعداد بیشتری مولکول آب در نانولوله وارد میشود.
