دانلود پروژه:بررسی خواص ساختاری، ترمودینامیکی و دینامیکی نانو آلیاژهای طلا- پالادیم قرار گرفته روی مجموعه¬ی نانولوله¬های کربنی

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                    صفحه

چکیده 1

فصل اول. مقدمه

1-1. نانوتکنولوژی.. 2

1-2. نانو مواد. 2

1-3. نانو خوشه. 3

1-4. نانو خوشه‌های فلزی.. 4

1-5. کاتالیزورهای دو فلزی.. 4

1-6. نانوذرات طلا و پالادیم. 5

1-6-1. نانوخوشه­ی طلا-پالادیم قرار گرفته روی بستر. 7

1-7. صفحه­ی گرافیتی.. 8

1-8 . نانولوله­های کربنی.. 8

1-8-1. ساختار نانولوله­های کربنی.. 10

1-8-2. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانولوله­­ها 10

1-8-3. توصیف هندسی نانولوله­های کربنی.. 11……………………………………………………………………….

1-8-4. انواع نانولوله­های کربنی…………………………………………………………………………………….. 12

1-8-5. مکان­های جذبی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی………………………………………………………… 13

1-9. انواع نانولوله………………………………………………………………………………………………………. ­14

1-9-1. نانولوله­ی بورنیتریدی………………………………………………………………………………………… 15

1-9-2. نانولوله­ی سیلیکون کربیدی………………………………………………………………………………… 17

1-10. نانوخوشه­های دوفلزی قرار گرفته روی بستر……………………………………………………………. 18

1-11. مروری بر کارهای انجام شده……………………………………………………………………………….. 19

فصل دوم: شبیه­سازی دینامیک مولکولی

2-1. مقدمه­ای بر شبیه­سازی دینامیک مولکولی……………………………………………………………………. 39

2-2. چشم­اندازی مختصر از شبیه­سازی……………………………………………………………………………. 40

2-2-1. مراحل کلي يک شبيه­سازي ……………………………………………………………………………….. 41

2-2-2. انواع شبيه­سازي­ها از نظر قطعيت………………………………………………………………………… 42

2-3. دینامیک مولکولی………………………………………………………………………………………………… 42

2-4. شبیه­سازی دینامیک مولکولی…………………………………………………………………………………… 43

2-5. تئوری و شبیه­سازی……………………………………………………………………………………………… 45

2-5-1. تئوری شبیه­سازی دینامیک مولکولی…………………………………………………………………….. 45

2-6. کاربردهای دینامیک مولکولی………………………………………………………………………………….. 46

2-7. میدان نیرو…………………………………………………………………………………………………………. 47

2-7-1. مدل نیروی­ میدان اتمی برای سیستم­های مولکولی……………………………………………………. 49

2-8. مدل­های مولکولی و پتانسیل­ها………………………………………………………………………………… 49

2-9. توابع پتانسیل……………………………………………………………………………………………………… 50

2-9-1. پتانسیل کوانتومی ساتن-چن………………………………………………………………………………. 50

2-9-2. پتانسیل لنارد-جونز………………………………………………………………………………………….. 52

2-10. تأثیر شعاع قطع در پتانسیل لنارد جونز……………………………………………………………………. 54

2-11. الگوریتم شبیه­سازی……………………………………………………………………………………………. 54

2-11-1. انتخاب الگوریتم­های انتگرالگیری………………………………………………………………………. 55

2-11-2. الگوریتم جهشی ورلت…………………………………………………………………………………… 55

2-12. دینامیک مولکولی در دمای ثابت……………………………………………………………………………. 56

2-12-1. انسامبل کانونیکال………………………………………………………………………………………….. 57

2-12-2. انسامبل میکروکانونیکال…………………………………………………………………………………… 58

2-13. اعمال شرایط مرزی……………………………………………………………………………………………. 58

2-14. تابع توزیع شعاعی…………………………………………………………………………………………….. 59

2-15. میانگین مجذور جابجایی (MSD)……………………………………………………………………….. 61

2-16. نفوذ و ضریب خودنفوذی…………………………………………………………………………………… 62

2-17. پارامتر متوسط دگرشکل……………………………………………………………………………………… 63

2-18. اجزای اولیه­ی سیستم شبیه­سازی……………………………………………………………………………. 63

2-19. جزئیات شبیه­سازی بررسی خواص نانوخوشه­ی آزاد و قرار گرفته روی بستر……………………. 64

2-20. روش محاسبات در حالت کلی…………………………………………………………………………….. 71

2-21. پتانسیل­های درون مولکولی و بین مولکولی……………………………………………………………… 72

فصل سوم: نتایج و بحث

3-1. هدف.. 75

3-2. اثر اندازه‌­ی نانو خوشه. 75

3-3. اثر قطر نانولوله. 88

3-4. اثر کایرالیته­ی نانولوله. 98

3-5. اثر نسبت اجزای سازنده­ی نانوخوشه. 109

3-6. اثر بستر. 122

3-7. نتیجه­گیری………………………………………………………………………………………………………. 134

منابع………………………………………………………………………………………………………………………. 135

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                   صفحه

جدول 2-1 پارامترهای ساتن-چن برای برهمکنش­های خوشه­ی طلا-پالادیم……………………………… 73

جدول 2-2 پارامترهای لنارد – جونز (LJ) برای خوشه­ی طلا-پالادیم و بسترکربنی ……………………. 73

جدول 2-3  پارامترهای لنارد – جونز برای خوشه­ی طلا-پالادیم و نانولوله­ی سیلیکن-کربیدی……… 73

جدول 2-4  پارامترهای لنارد – جونز  برای خوشه ی طلا-پالادیم و نانولوله­ی بور-نیتریدی…………. 74

جدول 3-1 توزیع اتم­های طلا و پالادیم در 300 کلوین قبل از ذوب و بعد از فرآیند انجماد روی سطح نانوخوشه­های Au56Pd56،Au128Pd128  و Au250Pd250قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) (نوع a)، در مقایسه با نانوخوشه­های آزاد (نوع b)…………………………………………………………………………………………….. 83

جدول 3-2 توزیع اتم­های طلا و پالادیم در دمای 300 کلوین قبل از ذوب و بعد از فرآیند انجماد روی سطح نانوخوشه­ی Au128Pd128 قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (10و10)، (15و15) و (20و20) در مقایسه با نانوخوشه­ی آزاد………………………………………………………………………………………………………………………………. 94

جدول 3-3 توزیع اتم­های طلا-پالادیم در 300 کلوین قبل از ذوب و بعد از فرآیند سرد کردن روی سطح نانوخوشه­ی Au128Pd128  قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، (0و26) و (12و18)، در مقایسه با نانوخوشه­ی آزاد…………………………………………………………………………………………………………………………….. 105

جدول 3-4 توزیع اتم­های طلا و پالادیم در 300 کلوین قبل و بعد از فرآیند ذوب روی سطح نانوآلیاژ AumPdn (m + n = 256) با کسرمولی­های  1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 از طلا قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی(15و15) (نوع a)، در مقایسه با نانوخوشه­های آزاد (نوع b)…………………………………………………………………….. 116

جدول 3-5 توزیع اتم­های طلا و پالادیم در 300 کلوین قبل از ذوب و بعد از فرآیند سرد کردن روی سطح نانوخوشه­ی Au128Pd128 قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، نانولوله­های بورنیتریدی (15و15)، نانولوله­های سیلیکن کربیدی (11و11) و صفحه­ی گرافیتی در مقایسه با نانوخوشه­ی آزاد………………………….. 128

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                                      صفحه

شکل 1-1 تصویری شماتیک از یک نانوخوشه. 4

شکل 1-2 جایگزینی اتم­های طلا در پالادیم. 6

شکل1-3  نانولوله­های کربنی تک دیواره (سمت چپ) و چند دیواره (سمت راست) 9

شکل1-4 تصاویر میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا از نانولوله­های کربنی چند دیواره (سمت چپ) و یک مجموعه از نانولوله­های کربنی تک دیواره (سمت راست)، دو هندسه ممکن متفاوت را برای نانولوله­ها نشان می­دهد. 9

شکل1-5  نمایش طول (L) و قطر (d) مجموعه ی نانولوله­های کربنی.. 10

شکل 1-6  شکل­گیری نانولوله­ها از صفحات گرافیت… 11

شکل1-7  بردارهایی که انواع نانولوله را با کایرالیته­های مختلف تولید می­کنند. 11

شکل 1-8  نمایی از نانولوله­های کربنی با کایرالیته­های مختلف… 12

شکل 1-9  انواع نانولوله­های کربنی تک لایه. 12

شکل 1-10  مجموعه­ای از نانولوله­های کربنی (ناهمگن) 13

شکل1-11 الف) چهارنوع از مکان­های جذب در باندل نانولوله­های کربنی ب) مجموعه­های همگن و ناهمگن از نانولوله­های کربنی جذب­های سطحی مختلفی را تعیین می­کند. 14

شکل 1-12 یک نانولوله­ی بورنیتریدی.. 16

شکل 1-13 نانولوله های سیلیکن کربیدی با کایرالیته­های مختلف… 17

شکل 1-14 تفاوت ساختاری نانوخوشه­های قرار گرفته در صفحه­ی گرافیتی و نانولوله­های کربنی توسط شبیه­سازی­های بدست آمده در دمای 1100 کلوین.. 22

شکل1-15 جذب گاز آرگون، نئون و زنون روی دسته­ای از نانولوله­های همگن (10و10) 26

شکل1-16 نانوخوشه ی دو فلزی طلا-پلاتین 250 اتمی (Pt₁₂₅) قرار گرفته روی (a) بستر گرافیتی، (b) نانولوله­های (10و10)، نانولوله­های (13و13) و نانولوله­های (20و20). رنگ قرمز (مشکی در پرینت)، زرد و خاکستری به­ترتیب مربوط به اتم­های پلاتین، طلا و کربن می­باشند. 27

شکل1-17 شبیه­سازی ساختار خوشه­ی قرار گرفته روی صفحه­ی گرافیتی در دمای 400 کلوین در خلاء (الف)، با مولکول­های گازی هیدروژن (ب) و 400 مولکول CO (ج). همچنین ساختار خوشه در خلاء بدست آمده از حذف تدریجی مولکول­های H₂ (د) و CO (ه) 28

شکل 1-18 جذب سطحی گاز بر روی نانوخوشه­ی نقره 32

شکل 1-19 نانوخوشه­ی نقره­ی قرار گرفته در منطقه­ی groove که در آن مولکول های H₂ به دلیل وضوح بیشتر نیامده­اند       33…………………………………………………………………………………………………………………………………………….

شکل1-20 نانوخوشه Ag₂₅₆ در تماس با بستر در فرآیند گرم شدن (شکل بالایی) و فرآیند سرد شدن (شکل پایینی) و در دمای  300  کلوین………………………………………………………………………………………………………………………. 35

شکل2-1 شبیه­سازی به عنوان یک پل بین الف) خواص ماکروسکوپی و میکروسکوپی ب) تئوری و تجربه.. 40

شکل 2-2 نمایش سیستم شبیه­سازی MD…………………………………………………………………………………… 43

شکل 2-3  تغییر ساختار در واحد زمان با استفاده از یک میدان نیروی مناسب……………………………………. 47

شکل 2-4   نمونه­هایی از توابع برهمکنش در میدان­های نیرو. برهمکنش­های پیوندی شامل پیوندهای کششی کوولانسی، خمش زاویه­ای، چرخش پیچشی اطراف پیوندها و چرخش­های خارج از صفحه یا “نادرست” نشان داده نشده­اند… 48

شکل 2-5  مکانیک مولکولی توابع انرژی پتانسیل در ارتباط با جملات “پیوندی” و “غیر پیوندی

شکل 2-6 نمودار پتانسیل لنارد-جونز………………………………………………………………………………………. 53

شکل 2-7 (الف) شرایط مرزی متناوب برای دو بعد را نشان می­دهد. سل در مرکز سل اولیه با سلول­هایی مشابه خودش احاطه شده است. (ب) اعمال شرایط مرزی متناوب در دو بعد. این نوع از مرزهای متناوب در شبیه­سازی NEMD استفاده می­شود     59

شکل 2-8 نمودار تابع توضیع شعاعی مولکول­ها نسبت به فاصله از اتم مرجع …………………………………… 60­

شکل 2-9 نانوخوشه­ی 256 اتمی (الف) قبل از شبیه­سازی و (ب) بعد از شبیه­سازی اولیه، پس از سردکردن در دمای 300 کلوین 1-9-2. نانولوله­ی سیلیکون کربیدی………………………………………………………………………………… 64

شکل 2-10 نانوخوشه­ی 256 اتمی با نسبت مساوی از طلا و پالادیم ( ) قرار گرفته روی بستر (الف) باندل نانولوله­های کربنی (15و15) در حالت نمای دور و نمای نزدیک و حالت افقی، (ب) باندل نانولوله­های کربنی (12و18)، (ج) باندل نانولوله­های کربنی (0و26) قبل از شبیه­سازی (سمت راست) و بعد از شبیه­سازی اولیه، پس از سرد کردن در دمای 300 کلوین (سمت چپ)1-11. مروری بر کارهای انجام شده…………………………………………………………………………………. 67

شکل 2-11 نانوخوشه­ی 256 اتمی طلا-پالادیم با نسبت  قرار گرفته روی بستر (الف) باندل نانولوله­های سیلیکن کربیدی (11و11)، (ب) بور-نیتریدی (15و15) و (ج) صفحه­ی گرافیتی، قبل از شبیه­سازی (سمت راست) و بعد از شبیه­سازی اولیه و پس از سرد شدن در دمای 300 کلوین (سمت چپ) از سه نما رانشان می­دهد…………………………………… 69

شکل 2-12 تصویری از نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ روی بسترهای مختلف در 300 کلوین قبل از ذوب و 300 کلوین بعد از انجماد شبیه سازی شده به وسیله­ی MD در این کار (توپ­های آبی و زرد به ترتیب نشان دهنده­ی اتم­های پالادیم و طلا می­باشند)        72

شکل 3-1 نمودار تابع توزیع شعاعی برای جفت برهمکنش­های طلا-طلا، پالادیم-پالادیم، طلا-پالادیم، طلا-کربن و پالادیم-کربن برای نانوآلیاژهای Au₅₆Pd₅₆ (N=108)،  Au₁₂₈Pd₁₂₈ (N=256) و Au₂₅₀Pd₂₅₀ (N=500) قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) برای دمای 300 کلوین قبل از ذوب، ذوب، انجماد و 300 کلوین بعد از سرد شدن  80

شکل 3-2 انرژی کل نانوخوشه­های Au₅₆Pd₅₆، Au₁₂₈Pd₁₂₈ و  Au₂₅₀Pd₂₅₀قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در مقابل دما در طی فرآیندهای ذوب و انجماد. 84

شکل 3-3 پارامترهای تغییرشکل برای نانوخوشه­های Au₅₆Pd₅₆، Au₁₂₈Pd₁₂₈ و  Au₂₅₀Pd₂₅₀قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در مقابل دما 86

شکل3-4 ضریب نفوذ (D) نانوخوشه­های Au₅₆Pd₅₆ و  Au₁₂₈Pd₁₂₈ و  Au₂₅₀Pd₂₅₀قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در مقابل دما 87

شکل 3-5 انرژی دگرشکل بر واحد اتم برای نانوخوشه­های Au₅₆Pd₅₆، Au₁₂₈Pd₁₂₈ و  Au₂₅₀Pd₂₅₀قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در 300 کلوین بعد از انجماد. 88

شکل 3-6 نمودارهای RDF برهمکنش­های جفتی طلا-طلا، پالادیم-پالادیم، طلا-پالادیم، طلا-کربن و پالادیم-کربن برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های (10و10)، (15و15) و (20و20) برای دماهای شامل 300 کلوین قبل از ذوب، ذوب، انجماد و 300 کلوین بعد از انجماد. 93

شکل 3-7 انرژی کل بر اتم نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (10و10)، (15و15) و (20و20) در مقابل دما در طول فرآیندهای ذوب و انجماد. 95

شکل 3-8 پارامتر دگرشکل برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (10و10)، (15و15) و (20و20) در مقابل دما 96

شکل 3-9 مقادیر D برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (10و10)، (15و15) و (20و20) نسبت به دما 97

شکل 3-10 انرژی دگرشکل بر اتم برای برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (10و10)، (15و15) و (20و20) در 300 کلوین بعد از ذوب 98

شکل 3-11 نمودار RDF برهمکنش­های طلا-طلا، پالادیم-پالادیم، طلا-پالادیم، طلا-کربن و پالادیم-کربن برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، (0و26) و (12و18) برای دماهای 300 کلوین قبل از ذوب، ذوب، انجماد و 300 کلوین بعد از سردکردن. 103

شکل 3-12 انرژی کل بر واحد اتم برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، (0و26) و (12و18) در مقابل دما در طی فرآیندهای ذوب و سرد کردن. 106

شکل 3-13 پارامتر دگرشکل برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، (0و26) و (12و18) در مقابل دما 107

شکل 3-14 مقادیر D برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈  قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، (0و26)، (12و18) در مقابل دما 108

شکل 3-15 انرژی تغییرشکل بر اتم برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته بر روی نانولوله­های کربنی (15و15)، (0و26) و (12و18) در 300 کلوین بعد از سرد کردن. 109

        شکل 3-16 نمودار RDF جفت برهمکنش­های طلا-طلا، پاادیم-پالادیم، طلا-پالادیم، طلا-کربن و پالادیم-کربن برای نانوخوشه­های Au_mPd_n (m + n = 256) با (کسرمولی­های 1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 از طلا) قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در دماهای شامل 300 کلوین قبل از ذوب، ذوب، انجماد و 300 کلوین بعد از سرد کردن    114

شکل 3-17 انرژی کل بر اتم برای نانوخوشه­ی Au_mPd_n (m + n = 256) (با کسر مولی­های 1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 از طلا) روی یک مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در مقابل دما در طی فرآیندهای ذوب و سردکردن  118

شکل 3-18 پارامتر دگرشکل برای نانوخوشه­های Au_mPd_n (m + n = 256) (با کسرمولی 1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 از طلا) قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15) در مقابل دما 119

شکل 3-19 مقادیر D برای Au_mPd_n (m + n = 256) (با کسرمولی 1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 از طلا) قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی آرمچیر (15و15) در مقابل دما 120

شکل 3-20 انرژی دگرشکل بر واحد اتم برای نانوخوشه­ی Au_mPd_n (m + n = 256) (با کسر مولی­های 1/0، 3/0، 5/0، 7/0 و 9/0 از طلا) قرار گرفته روی مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15). 121

شکل 3-21 نمودارهای RDF برهمکنش­های طلا-طلا، پالادیم-پالادیم، طلا-پالادیم، طلا-کربن و پالادیم-کربن برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، نانولوله­های بورنیتریدی (15و15)، نانولوله­های سیلیکن کربیدی (11و11) و صفحه­ی گرافیتی در دماهای شامل 300 کلوین قبل از ذوب، ذوب، انجماد و 300 کلوین بعداز سرد کردن. 127

شکل 3-22 انرژی کل بر واحد اتم برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، نانولوله­های بورنیتریدی (15و15)، نانولوله­های سیلیکن کربیدی (11و11) و گرافیت در مقابل دما در طول فرآیندهای ذوب و انجماد. 130

شکل 3-23 پارامتردگرشکل برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، نانولوله­های بورنیتریدی (15و15)، نانولوله­های سیلیکن کربیدی (11و11) و گرافیت در مقابل دما 131

شکل 3-24 مقادیر ضریب نفوذ برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، نانولوله­های بورنیتریدی (15و15)، نانولوله­های سیلیکن کربیدی (15و15) و گرافیت در مقابل دما 132

شکل 3-25 انرژی دگرشکل بر واحد اتم برای نانوخوشه­ی Au₁₂₈Pd₁₂₈ قرار گرفته روی بستر مجموعه­ی نانولوله­های کربنی (15و15)، نانولوله­های بورنیتریدی (15و15)، نانولوله­های سیلیکن کربیدی (15و15) و گرافیت    133