وبلاگ

ای بر علم محاسبات
شیمی محاسباتی گویای كاربرد محاسبات در شیمی است و در حقیقت شاخه ای از دانش شیمی است كه سعی در حل مسائلی چون پیش بینی ساختار مولكولی، خواص مولكولی و واكنش های شیمیایی با بهره گرفتن از كامپیوتر دارد و در این رشته از نتایج شیمی نظری كه در قالب برنامه های مؤثر كامپیوتری در آمده اند، برای محاسبات ساختار و خواص مولكول ها استفاده می شود. نتایج آن كامل كننده اطلاعات بدست آمده از آزمایش های شیمیایی هستند اما در برخی موارد می تواند منجر به پیش بینی پدیده های شیمیایی مشاهده نشده شود. از این رشته به گستردگی برای طراحی مواد جدید و دارو ها استفاده می شود،‌ زیرا در این موارد پیش گویی دقیق ویژگی های فیزیكی حقیقی الزامی است.
از مهم ترین مزایای یک شبیه سازی می توان به پیش بینی خواص مولكول ها بدون انجام عملی آزمایشات آنها در آزمایشگاه است و در واقع می توان اطلاعات اولیه برای انجام واكنش بدون صرف كمترین مواد و هزینه، بدون مواجه شدن با مواد سمی و خطرناك را تا حدودی حدس زد. تا از این طریق انجام عملی آزمایش برای ما آسان تر شود تا در هزینه و مواد صرفه جویی لازم حاصل شود. همچنین می توان از این طریق اطلاعات درباره ی آزمایشاتی كه امكان انجام آنها در آزمایشگاه امكان پذیر نیست را بدست آورد. به طور كلی می توان شبیه سازی را یک آزمایشگاه كوچك مجازی نام برد كه امروزه در دنیا بسیار مهم و پر طرفدار است به طوری كه هر ساله نرم افزار های قدرتمندی برای انجام محاسبات در تمام علوم خصوصأ شیمی به بازار معرفی می گردد. و هرساله كامپیوتر های قدرتمندتری با قدرت پردازش بهتر به بازار عرضه می گردد كه انجام محاسبات برای مولكول های بزرگتر و پیچیده تر را امكان پذیر می كند و حتی انجام محاسبات برای مولكول های بسیار بزرگ نیز توسط ابر رایانه ها امكان پذیر شده است.
1-2) فن آوری نانو
فناوری نانو یا نانوتكنولوژی[1] رشته ای از دانش كاربردی و فناوری است كه رشته های گسترده ای از علوم را پوشش می دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه های در ابعاد كمتر از یک میكرومتر، معمولأ حدود 1 تا 100 نانومتر است. در واقع نانوتكنولوژی فهم و به كار گیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در این ابعاد است كه اثرات فیزیكی جدیدی- عمدتأ متأثر از غلبه خواص كوانتومی بر خواص كلاسیك- از خود نشان می دهند. فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده ای عظیم است كه در تمامی گرایشات علمی راه یافته و از فناوری های نوینی است كه با سرعت هرچه تمام تر در حال توسعه است. از ابتدای دهه 1980 میلادی، گستره طراحی و ساخت ساختمان ها هر روزه شاهد نوآوری های جدیدی در زمینه ی مصالح كارآراتر و پر بازده تر، مقاومت، شكل پذیری ، دوام و توانایی بیشتر نسبت به مصالح سنتی است. فناوری نانو یک رشته به شدت میان رشته ای است و به رشته هایی چون مهندسی مواد ، پزشكی، داروسازی و طراحی دارو ، دامپزشكی، زیست شناسی، فیزیک كاربردی، ابزار های نیم رسانا، شیمی ابر مولكول، مهندسی مكانیك، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می شود. تحلیل گران بر این باورند كه فناوری نانو، فناوری زیستی (Bio technology) و فناوری اطلاعات (IT)، سه قلمرو علمی هستند كه انقلاب سوم صنعتی را شكل می دهند. نانوتكنولوژی می تواند به عنوان ادامه دانش كنونی به ابعاد نانو یا طرح ریزی

 دانش كنونی بر پایه هایی جدید تر و امروزی تر باشد.

فن آوری نانو توانایی ساخت، كنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتری است. اندازه ذرات در فناوری نانو مهم است، چراكه در ابعاد نانویی، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است و خواص فیزیكی، شیمیایی و بیولوژیكی تك تك اتم ها و مولكول ها با خواص توده ماده متفاوت است. این اندازه در مواد مختلف متفاوت است اما به طور معمول مواد نانو به موادی كه حداقل یكی از ابعاد آن كوچك تر از 100 نانومتر باشد گفته می شود.
در مجموع فن آوری نانو شامل سه مرحله است:

1. 1. طراحی مهندسی ساختار ها در سطح اتم

1. 2. تركیب این ساختار ها و تبدیل آنها به مواد جدید با ساختار نانو با خصوصیات ویژه.

1. 3. تركیب این گونه مواد و تبدیل آنها به ابزار های سودمند.

انتظار می رود كه نانوتكنولوژی نیاز بشر را به مواد كمیاب كمتر كرده و با كاستن آلاینده ها، محیط زیستی سالم تر را فراهم كند و نیز كاربرد آن را در علوم مختلف به خصوص پزشكی به بالاتر رفتن كیفیت زندگی انسان و نجات انسان ها كمك بسیار كند. یكی از شاخه های اصلی نانوتكنولوژی نانومواد می باشد كه خود شامل سه شاخه نانوپودرها، نانولوله ها و نانوكامپوزیت ها می باشد. در این تحقیق ما در مورد نانولوله ها و كاربرد آن در نانوتكنولوژی بحث می كنیم.
1-3) نانولوله های كربنی
نانولوله های كربنی[2] (CNT) كه استوانه های تو خالی از ورقه های گرافیت هستند، شكل لوله مانند داشته و در سال 1991 توسط سومیو ایجیما[3] (از شركت NEC ژاپن) كشف شده است[1].
ساختار نانولوله های كربنی را می توان شكل دگرگون شده ی گرافیت تصور كرد. در گرافیت لایه های بسیار زیاد اتم های كربن در شكل شش ضلعی به هم متصل بوده و ورقه های سطحی را تشكیل می دهند. این مواد دارای خواص ساختاری، مكانیكی و الكتریكی فوق العاده هستند كه ناشی از استحكام ویژه پیوند های كربنی وتقارن استوانه ای آنهاست. خواص منحصر به فرد و استحكام كششی خوب از یک جنبه و ویژگی اسكلتی نانولوله ها (كربن ماده ای است كم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایند ها كه تولید آن نسبت به فلزات ارزان تر است) در دهه گذشته موجب تحقیقات مهمی در زمینه ی كارایی، ساختار اتمی، الكترونی و روش های تولید آنها شده است.می توان گفت دلیل این علاقه ویژه به نانولوله ها به علت ساختار منحصر به فرد آنهاست.
1-3-1) شكل های مختلف نانولوله
یک CNT به دو شكل نانولوله تك جداره[4] (یک ورقه لوله شده) و یا چند جداره[5] (چند ورقه كه با هم لوله شده) وبا انواع مختلف دستوارگی نشان دهنده ی آرایش شش ضلعی حاصل از اتم های كربن است كه در جهت محور لوله شكل گرفته اند.
پس ممكن است دو لوله با قطر یكسان، ساختار متفاوتی داشته باشند، اگرچه منحصرأ از اتم های كربن تشكیل شده باشد. اتم های كربن روی سطح نانولوله ها همگی دارای ساختار شش ضلعی بوده بسته به چگونگی لوله كردن ورقه شش ضلعی، سه ساختار مختلف ایجاد می شود. یک CNT را با بردار (m, n) توصیف می كنند، كه m و n اعداد صحیح هستند[2].m=0  یک نانولوله ی زیگ زاگ را توصیف می كند، كه شش ضلعی های آن به صورت زیگ زاگ در طول لوله پایین می روند، اما اگر m=n باشد به نانولوله مدل صندلی دسته دار گفته می شود، كه شش ضلعی ها در لوله مستقیمأ به موازات طولشان درست شبیه دسته های یک صندلی دسته دار امتداد پیدا می كنند. لوله ها همچنین ممكن است بین این دو انتها دستوارگی داشته باشند، كه می توانند با پیچیدن یک لوله تشكیل شوند كه به آن نانولوله كایران می گویند.
1-3-2) ساختار نانولوله ها
در شكل (1-6 ) نیز ساختار سه نوع مختلف از نانولوله ها نشان داده شده است. نانولوله (5-5) از نوع صندلی دسته دار با m=n ، نانولوله (9-0) زیگ زاگ با m=0 و نانولوله (10-5) كایران است.