2-3) مکانیک مولکولی22
2-4) روشهای ساختارالکترونی23
2-4-1) روشهای نیمه تجربی 23

2-4-2) روشهای آغازین24
2-5) گوسین24
2-6) روشهای محاسباتی گوسین25
2-6-1) روش میدان خودسازگارهارتری فاک (HF)25
2-6-2) نظریه تابع چگالی (DFT)27
2-6-3) مجموعه های پایه28
2-7) جابه جایی شیمیایی مستقل ازهسته (NICS)31
2-8) آنالیز اوربیتال پیوند طبیعی (NBO)33
2-9) HOMO وLUMO33
2-10) قطبش پذیری- سختی و نرمی35
2-11) مقایسه و تفسیر محاسبات بار اتمی36
فصل سوم:روش کار و محاسبات37
3-1) روش انجام کار38
3-2) انرژی اتصال54
3-3) بارهای اتمی55
3-4) ممان دوقطبی59
3-5) طول پیوند61
3-6) محاسبات زاویه63
3-7) خواص بنیادی66
3-7-1) بررسی مقادیر انرژی یونش (I)67
3-7-2) بررسی مقادیر الکترونخواهی (A)68
3-7-3) بررسی مقادیر پتانسیل شیمیایی (μ)68
3-7-4) بررسی مقادیر سختی (η ) و نرمی (σ )68
3-8) شکاف بین HOMOو LUMO 69
بحث و نتیجه گیری93
منابع:94
فهرست شکل ها
عنوان صفحهشکل 1-1) ساختار گرافیت3شکل 1-2) ساختار بلوری الماس4شکل 1-3) ساختار نانولوله کربنی4شکل 1-4) ساختار فولرن C605شکل 1-5) ساختار نانولوله کربنی صندلی6شکل 1-6) ساختار نانولوله کربنی زیگزاگ7شکل 1-7) ساختار نانولوله کربنی کایرال7شکل 1-8) نمایی از چگونگی تشکیل سه نوع نانولوله مختلف8شکل 1-9) چگونگی تولید نانولوله کربنی به وسیله لیزر10شکل 1-10) ساختار 8- هیدروکسی کینولین18شکل (2-1): رابطه کمی میان انرژی اوربیتال ها، سختی و نرمی35شکل 3-1) ساختار 8-HQ40شکل 3-2) ساختار C6040شکل 3-3) ساختار CNT(9,0) 40شکل 3-4) ساختار CNT(8,0)41شکل 3-5) ساختار CNT(5,5)41شکل 3-6) ساختار CNT(5,5) doped Al41شکل 3-7) ساختار CNT(5,5) doped Ga42شکل 3-8) ساختار BNNT(8,0)42شکل 3-9) ساختار BNNT(5,5)42شکل 3-10) ساختار BNNT doped Ge43شکل 3-11) ساختارBPNT(7,0)43شکل 3-12) ساختار (a) C60 and 8-HQ44شکل 3-13) ساختار C60 and 8-HQ.OH (b)44شکل 3-14)ساختار CNT(9,0) and 8-HQ.OH ( c )45شکل 3-15)ساختار CNT (9,0) and 8-HQ.N ( d )45شکل 3-16)ساختارOH(e). CNT(5,5) and 8-HQ46شکل 3-17)ساختار CNT(5,5)and 8-HQ.N(f)46شکل 3-18)ساختار CNT(5,5) doped Ga and 8-HQ.N (g)47شکل 3-19)ساختار(h) CNT(5,5) doped Ga and 8-HQ.OH47شکل 3-20)ساختار CNT(5,5) doped Al and 8-HQ.N(i)48شکل 3-21)ساختار CNT(5,5) doped Al and 8-HQ.OH(j)48شکل 3-22)ساختار CNT(8,0) and 8-HQ.N(k)49شکل 3-23)ساختارCNT(8,0) and 8-HQ.OH(l)49شکل 3-24)ساختارBNNT(5,5) and 8-HQ.OH(m)50شکل 3-25)ساختار( n ) BNNT(5,5) and 8-HQ.N50شکل 3-26)ساختارBNNT doped Ge and 8-HQ.OH (o)51شکل 3-27)ساختار BNNT doped Ge and 8-HQ.N(p)51شکل 3-28)ساختارBNNT(8,0) and 8-HQ.N(q)52شکل 3-29ساختارr)) BNNT(8,0) and 8-HQ.OH52شکل 3-30)ساختارBPNT(7,0) and 8-HQ .OH( s )53شکل 3-31)ساختار( t) BPNT(7,0) and 8-HQ.N53شکل 3-32) اوربیتال های HOMO وLUMO مولکول دارویی 8- هیدروکسی کینولین 72شکل 3-33) طیف DOS مولکول دارویی 8- هیدروکسی کینولین (8-HQ)72شکل 3-34) اوربیتال های HOMO وLUMO ساختار C60 and 8-HQ (a)73شکل 3-35) طیف DOS فولرن C60 و ساختار C60 and 8-HQ73شکل 3-36) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار C60 and 8-HQ.OH(b)74شکل 3-37) طیف DOS ساختارC60 and 8-HQ.OH74شکل 3-38) اوربیتال های HOMO وLUMO ساختار CNT(9,0) and 8-HQ.OH (c).75شکل 3-39) طیف DOS نانولوله های CNT(9,0) وCNT(9,0) and 8-HQ.OH ( c )75شکل 3-40) اوربیتال های HOMO وLUMO ساختارCNT (9,0) and 8-HQ.N (d)76شکل 3-41(طیف DOS ساختار (d)CNT(9,0) and 8-HQ.N76شکل 3-42) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار CNT(5,5) and 8-HQ.OH(e)77شکل 3-43) طیف DOS نانولوله های CNT(5,5) و CNT (5,5) and 8-HQ.OH(e)77شکل3-44) اوربیتال های HOMO وLOMO ساختار CNT (5,5) and 8-HQ.N(f)78شکل 3-45) طیف DOS ساختار CNT(5,5) and 8-HQ.N(f)78شکل 3-46) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختارCNT(5,5) Ga and 8-HQ.N(g)79شکل 3-47) طیف DOS نانولوله های CNT(5,5) Ga and 8-HQ.N(g) , CNT(5,5) Ga79شکل 3-48) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار CNT(5,5) Ga and 8-HQ.OH(h)80شکل 3-49) طیف DOS ساختار CNT (5,5) Ga and 8-HQ.OH(h)80شکل 3-50) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار CNT(5,5) Al and 8-HQ.N(i)81شکل 3-51) طیف DOS نانولوله های CNT(5,5) Al and 8-HQ.N(i) , CNT(5,5) Al81شکل 3-52) ا وربیتال های HOMO و LUMO ساختار CNT (5,5) Al and 8-HQ.OH(j)82شکل 3-53) طیف DOS ساختار CNT(5,5) Al and 8-HQ.OH(j)82شکل 3-54) اوربیتال های HOMO وLUMO ساختا ر CNT( 8,0) and 8-HQ.N(k)83شکل 3-55) طیف DOS نانولوله های CNT( 8,0) و CNT (8,0) and 8-HQ.N(k)83شکل 3-56) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار CNT (8,0) and 8-HQ.OH (L)84شکل 3-57) طیف DOS ساختار CNT( 8,0) and 8-HQ.OH (L)84شکل 3-58) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار BNNT (5,5) and 8-HQ.OH (m)85شکل 3-59) طیف DOS نانولوله های BNNT (5,5) و BNNT( 5, 5) and 8-HQ.OH(m)85شکل 3-60) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختا ر BNNT (5,5) and 8-HQ.N(n)86شکل 3-61) طیف DOS ساختار BNNT(5,5) and 8-HQ .N(n)86شکل 3-62) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار BNNT Ge and 8-HQ.OH (o)87شکل 3-63) طیف DOS نانولوله های BNNT Ge و BNNT Ge and 8-HQ.OH(o)87شکل 3-64) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار BNNT Ge and 8-HQ .N(p)88شکل 3-65) طیف DOS ساختار Ge and 8-HQ.N(p) BNNT88شکل 3-66) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار BNNT(8,0) and 8-HQ.N(q)89شکل 3-67)طیفDOS نانولوله های BNNT(8,0) و(q) BNNT(8,0) and 8-HQ.N89شکل 3-68) اوربیتال های HOMO و LUMO ساختار BNNT (8,0) and 8-HQ.OH (r)90شکل 3-69) طیف DOS ساختار BNNT(8,0) and 8-HQ.OH(r)90شکل 3-70) اوربیتال های HOMO وLUMO ساختار BPNT (7,0) and 8-HQ.OH(s)91شکل 3-71) طیف DOS نانولوله های BPNT(7,0) and 8-HQ.OH(s) و BPNT(7,0)91شکل 3-72) اوربیتال های HOMO وLUMO ساختار BPNT (7,0) and 8-HQ.N(t)92شکل 3-73) طیف DOS ساختار BPNT(7,0) and 8-HQ.N (t)92
فهرست جداول
عنوان صفحهجدول (2-1): شیوه های مربوط به روش های تقریبی مختلف25جدول 3-1) نماد گذاری مولکول های تحقیق شده39جدول 3-2) انرژی ساختارها پس از قرار گرفتن مولکول 8-HQبر روی فولرن و نانولوله ها54جدول 3-3) مقادیر بارهای اتمی مولکول 8-HQ ، قبل و پس از اتصال بر سطح نانولوله ها به روش DFT/B3LYP 6-31G^(* )56جدول 3-4) ممان دوقطبی ساختارها، قبل و بعد از اتصال مولکول 8-HQ به نانولوله ها به روشDFT/B3LYP 6-31G^(* )60جدول 3-5) مقادیر طول پیوند بین اتم های مولکول 8-HQ ، قبل و بعد از اتصال به نانولوله ها، به روش DFT/B3LYP 6-31G^(* ) بر حسب آنگستروم (Å)61جدول 3-6) مقادیر زاویه پیوند 8-HQ قبل و بعد از اتصال به نانولوله ها به روشDFT/B3LYP 6-31G^*64جدول 3-7) خواص بنیادی ساختارها67جدول 3-8) شکاف بین HOMO–LUMO پس از قرار گرفتن مولکول 8-HQ بر سطح نانولوله ها به روش DFT/B3LYP 6-31G^(* ) بر حسب (ev)70
چکیده
در سال های اخیر، استفاده از نانولوله ها به عنوان نانو حامل های انتقال دارو مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق، فولرن C60 و نه نانولوله مختلف به عنوان حامل های مولکول دارویی 8- هیدروکسی کینولین مورد استفاده قرار گرفته است. ابتدا ساختار مولکول دارویی HQ-8 و نانولوله ها به وسیله نرم افزارهای NanotubeModeler و GaussView ترسیم شده و سپس به وسیله نرم افزار Gaussian09 با روش DFT⁄〖B3LYP 6-31 G〗^* بهینه گردید. بعد از آن مولکول 8-HQ از دو سمت هترواتم های خود، یعنی اتم نیتروژن پیریدینی و گروه هیدروکسیل بر سطح نانولوله های مختلف قرار گرفته وساختار آن ها نیز به روش ذکر شده، بهینه گردید. نتایج حاصل، شامل اطلاعات مربوط به انرژی اتصال، ممان دوقطبی، بارهای اتمی، زوایا و طول پیوندها، خواص بنیادی (پتانسیل یونش، الکترون خواهی، پتانسیل شیمیایی، سختی و نرمی) و شکاف انرژی HOMO- LUMO ، محاسبه وارزیابی شدند.
از نظر انرژی اتصال و میزان جذب ، نانولوله CNT(9,0) بهترین بر همکنش را با مولکول دارویی 8-HQ ازسمت اتم نیتروژن پیریدینی داشته است. هم چنین از نظر ممان دوقطبی، نانولوله BNNTdopedGe بیشترین ممان دوقطبی را با مولکول 8-HQ نشان داده است. ساختار این نانولوله با مولکول 8-HQ ( به ویژه از سمت اتم N) قطبش پذیری و انتقال بار زیادتری را نسبت به سایر ساختارها نشان داده است.
کلید واژه : نانو لوله ، فولرن ، 8- هیدروکسی کینولین ، گوسین
فصل اول
نانو تکنولوژی
1-1) مقدمه
نانوتکنولوژی محدوده ای از تکنولوژی است که در این محدوده انسان می تواند انواع ترکیبات، آلیاژها، وسایل و ابزارها و بطورکلی، سیستم ها و سازه های گوناگون را در مقیاس اتمی و مولکولی و در ابعاد نانومتری (یک میلیاردم متر) طراحی کرده و به مرحله ساخت برساند. روش ساخت در اکثر موارد، به صورت جابجا نمودن اتم ها و مولکول ها و قرار دادن آنها در موقعیت های مناسب می باشد [1].
1-2) تاریخچه ی نانوتکنولوژی
استفاده از نانوتکنولوژی توسط انسان بر خلاف تصور عمومی دارای سابقه طولانی است. در این رابطه شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی به کــاربرده شده توسط قوم مایا وجود دارد. پس از آن رومی ها از این مواد در ساخت جام هایی با رنگ های زنده استفاده کردند. به این صورت که آن ها از ذرات طلا برای رنگ آمیزی این جام ها بهره گرفتند. نمونه ای از این جام ها که برای اولین بار کشف شد جام لیکورگوس می باشد که متعلق به قرن چهارم قبل از میلاد بوده و دارای ذرات نانومتری طلا و نقره است که در هنگام قرار گرفتن در نورهای مختلف رنگ های گوناگون را از خود نشان می دهد.
با این وجود داستان علمی نانوتکنولوژی چیز دیگری است. یکی از اولین گزارش های علمی در این رابطه، گزارش ساخت کلوئید ذرات طلا در سال 1857 توسط مایکل فارادی می باشد. بعدها از کربن سیاه به عنوان یک ماده افزودنی برای رنگ کردن و استحکام بخشیدن به لاستیک استفاده شد. استفاده از کاتالیزورهای با ساختار نانومتری از 70 سال پیش آغاز شد [1].
در سال 1991 دانشمندی ژاپنی به نام سومیو ایجیما1 به طور اتفاقی، ساختاری از کربن را کشف و تولید کرد. که با توجه به شکل آن، محصول مربوطه را نانولوله کربنی نامید. در یک نانولوله کربنی، اتم های کربن در ساختاری استوانه ای آرایش یافته اند. آرایش اتم های کربن در دیواره این ساختار استوانه ای، مشابه آرایش اتم های کربن در صفحه گرافیت است. وقتی یک لایه گرافیت پیچیده شود، نانولوله کربنی تشکیل می شود. در واقع نانولوله کربنی، گرافیتی است که در مقیاس نانو و به شکل لوله درآمده است [2].
1-3) دگر شکل های کربن
کربن شگفت انگیز ترین عنصر طبیعت است، بطوری که شیمی آلی به شیمی ترکیبات کربن معروف است. همچنین مهندسی پلیمر بر اساس عنصر کربن پایه گذاری شده است. دگر شکل های کربن عبارتند از : گرافیت، الماس، نانو لوله و فولرن. در همه ی این مواد اتم های کربن با پیوندهای کووالانسی محکم به هم متصل هستند به طوری که آن ها را جزو جامدات کووالانسی به حساب می آورند [3] .
1-3-1) گرافیت
گرافیت ماده ای بسیار نرم است، دارای شبکه بلوری کووالانسی لایه ای است. در هر لایه گرافیت، اتم های کربن با پیوند کووالانسی به هم متصل هستند و با یکدیگر نوعی شبکه هگزاگونالی می سازند. یعنی در هر لایه شش اتم کربن تشکیل شش ضلعی را می دهند که از اتصال آن ها یک لایه یا صفحه گرافیت تشکیل می شود. بین اتم ها در این صفحه پیوند کووالانسی و بین صفحات نیروی ضعیف واندروالسی وجود دارد، به همین دلیل لایه های گرافیت به راحتی روی هم می لغزند و برخی خواص گرافیت مانند نرم بودن به دلیل وجود این نیروی ضعیف می باشد.
شکل 1-1) ساختار گرافیت
1-3-2) الماس
الماس جامدی بسیار سخت است، این ویژگی آن به دلیل شبکه بلوری مکعبی ویژه آن است. در شبکه بلوری الماس، هر اتم کربن با چهار اتم مجاور خودبه صورت چهار وجهی پیوند کووالانسی دارد و همه اتم های یک بلور الماس به هم متصل هستند .
شکل 1-2) ساختار بلوری الماس
1-3-3) نانو لوله کربنی
نانو تکنولوژی که علم چینش اتم ها به شکل دلخواه و برای رسیدن به خواص مطلوب است، امکان تولید ساختار های اتمی ویژه ای را فراهم می سازد که معروف ترین و پرکاربردترین آن ها نانولوله ها و به خصوص نانولوله های کربنی 2(CNT) می باشند. یک نانولوله کربنی در واقع یک لایه گرافیتی است که به شکل لوله یا استوانه در آمده است.
شکل 1-3) ساختار نانولوله کربنی
1-3-4) فولرن ها
فولرن ها یا باکی بال ها نوعی دیگر از ساختار کربنی هستند که به شکل کروی می باشند. تعداد اتم های کربن سازنده فولرن ها معمولاً بین 30 تا 100 می باشد. معروف ترین آن ها دارای 60 اتم کربن است که به فولرن C 60 معروف می باشد. این ساختار کروی شامل 20 حلقه شش ضلعی و 12 حلقه پنج ضلعی است که یک در میان قرار گرفته اند.
شکل 1-4) ساختار فولرن C 60
1-4) نانو لوله ها
نانولوله های کربنی به طور کلی به دو دسته تک دیواره 3(SWCNT) و چند دیواره 4(MWCNT) تقسیم می شوند. نانولوله تک دیواره یا تک جداره تنها از یک لوله گرافیتی تشکیل شده است امّا نانولوله چند دیواره از چند لوله گرافیتی متحدالمرکز تشکیل شده است که قطر آن ها متفاوت است. یک نانولوله کربنی تک دیواره می تواند شامل در پوش و یا بدون در پوش باشد. در پوش نانولوله شبیه یک فولرن است که شامل حلقه ی 5 و 6 ضلعی می باشد و ساختار گنبدی دارد. نانولوله تک دیواره به دلیل خواص الکتریکی جالب بسیار اهمیت دارد.
1-4-1) انواع نانولوله های تک دیواره
نانولوله های کربنی تک دیواره بر اساس چگونگی آرایش اتم ها ی کربن مقطع لوله به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
صندلی5
زیگزاگ6
کایرال7 (نا متقارن)
1-4-1-1) نانولوله کربنی نوع صندلی
در این نوع نانولوله، مؤلفه های کایرال برابرند (m=n) و از نظر ساختار، شش ضلعی های کربنی پشت سر هم قرار گرفته اند و در انتهای لوله اتصال اتم های کربن شبیه صندلی می باشد. این نوع نانولوله خاصیت رسانایی الکتریکی نزدیک به فلزات را دارد [4].
شکل 1-5) ساختار نانولوله کربنی صندلی
1-4-1-2) نانو لوله کربنی زیگزاگ
در این نوع نانولوله یکی از مؤلفه های کایرالیته n یا m برابر صفر می باشد.به عنوان مثال در نانو لوله کربنی
CNT(9,0) مؤلفه های کایرالیته برابرm=9 و n=0 می باشد.درساختار این نانو لوله شش ظلعی ها به صورت
زیگزاگ قرار گرفته اند [4].
شکل 1-6) ساختار نانولوله کربنی زیگزاگ
1-4-1-3) نانولوله کایرال یا نامتقارن
در این نوع نانولوله m≠n می باشد و شش ضلعی های کربنی به صورت کاملاً نامتقارن قرار گرفته اند. رسانایی الکتریکی این نوع نانولوله مشابه نانولوله صندلی ذکر شده در بالا می باشد [4].
شکل 1-7) ساختار نانولوله کربنی کایرال
شکل 1-8) نمایی از چگونگی تشکیل سه نوع نانولوله مختلف
1-5) خواص فیزیکی و شیمیایی نانولوله ها

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

یکی از خواص مواد نانو این است که رفتار آن ها متفاوت با مواد معمولی است. وقتی اندازه ذرات ماده از یک اندازه خاص کوچکتر باشد، ابعاد ماده یکی از عوامل تأثیر گذار بر روی خواص ماده خواهد بود.
حداقل سه عامل زیر را می توان به عنوان دلایل این رفتار ذکر نمود:
1- نزدیک شدن ابعاد ماده به مقیاس هایی نزدیک اندازه مولکولی و اتمی.
2- نسبت سطح به حجم بالا در مواد نانو، یعنی اتم با فاصله زیاد از سطح وجود ندارد، در نتیجه نیروهای بین اتمی و پیوند های شیمیایی اهمیت می یابند و نقش تعیین کننده ای خواهند یافت.
3- افزایش کمّی حجم مرز ذرات که با کاهش اندازه ذرات حاصل می شود، که این ویژگی بر روی خواص فیزیکی ماده تأثیر می گذارد.
نانولوله ها علی رغم قطر بسیار کم، استحکام کششی بالا دارند. هم چنین در جهت طولی رسانایی الکتریکی، حرارتی و خاصیت نشر میدانی دارند. محدوده انجام واکنش های شیمیایی برای مواد نانو بالاتر از مواد معمول می باشد. در مواد نانو درصد بالایی از اتم ها در سطح ماده قرار گرفته اند، لذا احتمال برخورد اتم ها افزایش می یابد، در نتیجه واکنش پذیری نیز افزایش می یابد.
از نانولوله ها می توان به عنوان کاتالیزور استفاده کرد، زیرا در ساختار آن ها میزان فضاهای خالی نسبت به حالت معمول بیشتر است. در نتیجه از کاتالیزورهای با ساختار نانومتری در دماهای پایین تر می توان بهره برد، که این خود باعث افزایش طول عمر آن ها می شود [5و6و7].
1-6) روش های سنتز نانولوله های کربنی
روش های اساسی تولید نانولوله ها عبارتند از:
قوس الکتریکی8
تبخیر لیزری9
رسوب گذاری بخار شیمیایی10
1-6-1) روش قوس الکتریکی
در این روش اتم های کربن به وسیله عبور جریان بالا از دو قطب آند و کاتد گرافیتی در داخل پلاسمای گاز هلیم، داغ شده و بخار می شوند. در روش فوق نانولوله های تک دیواره با خلوص و راندمان بالا بدست می آید و با وجود اینکه مقدار محصول کمی در این روش بدست می آید، روش خوبی برای تحقیق است.
برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلأ کرده و سپس در فشار پایین (260 تا 360 تور) از گاز هلیم یا آرگون پر کنیم. پایداری قوس الکتریکی ایجاد شده و شدت جریان و ولتاژ در مقدار محصول مؤثر است [2و8].
1-6-2) روش تبخیر لیزری
در این روش پالس های قوی شده اشعه لیزر به طرف یک هدف کربنی که شامل 5% نیکل و کبالت است پرتاب می شوند. این روش منجر به محصول با کیفیت بالاتر و گرانتر از قوس الکتریکی می شود [9و10].
شکل 1-9) چگونگی تولید نانولوله کربنی به وسیله لیزر
1-6-3) رسوب گذاری بخار شیمیایی
این روش شامل حرارت دادن مواد کاتالیزوری تا درجه حرارت بالا در یک کوره لوله ای شکل و عبور یک گاز هیدروکربنی در سراسر لوله برای یک مدت معین می باشد [3]. روش CVD به دلیل امکان تولید نانولوله در مقیاس صنعتی، جذابیت بیشتری دارد ]4[.
رسوب گذاری کاتالیزوری فاز بخار کربن در سال 1952 و 1959 گزارش شده امّا تا سال 1993 انجام نشده، همچنین با این روش نانولوله کربنی در سال 2007 تولید شده است. پژوهشگران دانشگاه سینسیناتی یک روش مرتب کردن پیشرفته نانولوله منظم به طول 18میلی متر با 3000 اتم کربن را ابداع کردند[11]. در CVD لایه ای از ذرات کاتالیزی فلزی به کار می رود که اغلب از جنس نیکل یا کبالت و آهن و یا ترکیبی از آن ها می باشد. نانو ذرات کاتالیزی می توانند به وسیله کاهش اکسید فلز و یا اکسید های محلول فلز جامد تولید شوند [12و13]. ضخامت نانولوله های تولید شده، بستگی به اندازه ذرات فلزی کاتالیزگر دارد. در روش CVD دو گاز استفاده می شود. یک گاز این فرایند، نیتروژن یا هیدروژن یا آمونیاک و گاز دیگر یک گاز کربن دار مانند استیلن یا اتیلن یا اتانول یا متان می باشد. نانولوله در سایت ذرات کاتالیزگر رشد می کند، گاز کربن دار در سطح ذرات کاتالیزگر شکسته شده و اتم های کربن به هم متصل شده و به شکل نانولوله در می آیند [14].
1-7) کاربرد نا نولوله ها
نانولوله های کربنی به دلیل رسانایی الکتریکی، گرمایی و خواص مکانیکی ایده آل، کاربردهای متعددی دارند، از جمله در ساخت قطعات الکترونیکی و سنسورها و هم چنین برای افزایش استحکام ترکیبات کامپوزیت به کار می روند. چند مورد از کابردهای نانولوله ها در ادامه بررسی می شوند:

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

1-7-1) به کار گیری نانولوله ها در پزشکی (انتقال دارو)
مهمترین فناوری نانو در زمینه دارو شناسی امکان انتقال دقیق دارو به هدفشان را فراهم آورده است. اخیراً سیستم های دارورسانی جدیدی مبتنی بر آرایه های کربنی ارائه شده است که داروها را به شکل کنترل شده از محل تجویز دارو به محل اثر آن انتقال می دهد. این به معنی عبور مولکول های دارو از تعداد زیادی موانع فیزیولوژیک است که به سهم خود مهمترین مشکل در انتقال هدفمند داروها است [15].
به طور کلی حامل های نانو دارای مزایا و معایب زیر هستند:
مزایا:
یک دارو را از تخریب محافظت می کنند.
جذب دارو را از طریق تسهیل توزیع آن از غشای روده افزایش می دهند.
باعث تعدیل اثر بدن بر دارو شده و توزیع بافتی را تغییرمی دهند.
معایب:
عدم حلالیت نانولوله های کربنی در محیط های آبی یک مانع مهم تکنیکی در کاربردهای شیمیایی و بیولوژیکی آن ها است. اگر به ساختار نانولوله های کربنی، گروه کربوکسیلیک یا آمونیوم اضافه شود حلالیت آن ها بالا می رود. به این ترتیب می توان برای انتقال پروتئین، اسید نوکلئیک و داروها از آن استفاده کرد. نانولوله های کربنی دارای یک حفره کانالی هستند که برای قرار گیری نمونه و حمل آنها استفاده می شوند [16].
1-7-2) کاربرد نانولوله در تشخیص و درمان سرطان
در یک روش درمان سرطان، نانولوله کربنی تک دیواره در اطراف سلول های سرطانی قرار داده شده، سپس به وسیله امواج رادیویی تحریک می شود که باعث ایجاد دمای بالا و نابود شدن سلول های سرطانی محاصره شده می گردد. پژوهشگران دانشگاه رایس11 و دانشگاه کالیفرنیا، نشان دادند که نانولوله کربنی و نانو کامپوزیت های پلیمری آن ها، برای تکثیر سلـول های استخــوان و تشکیل استخوان، به عنوان مواد پایه ای مناسب هستند [17و18].
در نوامبر2012 پژوهشگران انستیتو استاندارد و تکنولوژی آمریکا12 ثابت کردند، نانولوله کربنی تک دیواره، می تواند کمک کند که مولکول های DNA از آسیب و گزند اکسیداسیون محافظت شوند [19].
1-7-3) کاربرد نانولوله ها در کامپوزیت ها
نانولوله های کربنی از محکم ترین مواد به شمار می روند. بنابراین، به عنوان مواد پرکننده در تولید کامپوزیت ها کاربرد دارند. کامپوزیت های با پایه نانو لوله ی کربنی دارای استحکام به وزن بالایی می باشند که مصارف بسیاری در صنعت خواهند داشت. توزیع یکنواخت نانولوله ها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانولوله با زمینه در فرآوری این نانو کامپوزیت ها از موضوعات بسیار مهم است. شیوه توزیع نانولوله ها در زمینه پلیمری از پارامترهای مهم در استحکام دهی به کامپوزیت می باشد. آنچه از تحقیقات بر می آید این است که استفاده از خواص عالی نانولوله ها در نانو کامپوزیت ها وابسته به استحکام پیوند فصل مشترک نانولوله و زمینه می باشد. نکته دیگر این است که خواص غیر همسانگردی نانولوله ها باعث می شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله ها رفتار جالبی در این نانو کامپوزیت ها پیدا شود [20].
1-7-4) کاربرد نانولوله ها در الکترونیک
نانولوله ها هادی جریان الکتریسیته و گرما می باشند. این خواص سبب استفاده از این مواد در صنعت الکترونیک شده است. نانولوله های کربنی، سیم های مولکولی بزرگی هستند که الکترون ها می توانند آزادانه در آن حرکت کنند. رفتار نانولوله های چند دیواره بسیار پیچیده تراز تک دیواره است، زیرا لایه های کناری روی یکدیگر تأثیر می گذارند. مدل سازی چنین ا ثراتی از موضوعات تحقیقاتی حال حاضر است. محققان امیدوارند که ابعاد سیم ها یا قطعات را از طریق جایگزینی با نانولوله به حدود نانومتر یا کمتر برسانند.این قطعات در کنار مدارهای الکترونیکی می توانند خیلی سریعتر و با توان کمتراز مدارهای کنونی کار کنند. لامپ های تولید شده با نانو لوله های کربنی هزینه تولید کمتری دارند، به علاوه عمر طولانی تر و ثبات رنگ بیشتری نسبت به لامپ های معمولی دارند [21].
نانولوله ها در ترانزیستورهای سریع به کار می روند. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله ها دارای آستانه می باشند (یعنی سیگنال باید از یک حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشکار کند) که می توانند سیگنال های الکتریکی زیر آستانه را در شرایط اختلال الکتریکی یا نویز، آشکار و ردیابی نمایند. از آنجایی که ضریب تحرک، شاخص حساسیت یک ترانزیستور برای کشف بار شناسایی مولکول مجاور می باشد، لذا ضریب تحرک مشخص می کند که قطعه تا چه حد می تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می کنند و این نیز سرعت نهایی یک ترانزیستور را تعیین می نماید. لذا اهمیت استفاده از نانولوله ها و تولید ترانزیستورهای نانولوله ای با داشتن ضریب تحرک برابر با صد هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیکون با ضریب تحرک 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین رکورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرک 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می شود [22].
1-7-5) کاربرد نانولوله ها در صنعت ساختمان
صنعت ساختمان، یکی از صنایعی است که لزوم بهینه سازی ساخت و ساز و مصالح ساختمانی در آن مشاهده می شود. مثلا‍ً در بتن،از گذشته تا حال ، فایبر های فولادی(بتن آرمه) استفاده می شده است.بنابراین بتن، مستعد استفاده از نانو لوله کربنی است. انتظار می رود با استفاده از نانولوله های کربنی به خواص بهتری در بتن رسید. دلایل برتری استفاده از نانولوله کربنی در صنعت ساختمان عبارتند از:
خواص ویژه مکانیکی، هدایت حرارتی و الکترونیکی
نسبت طول به قطر بسیار بالا
اندازه کوچک فایبرها و قابلیت پخش شدن بالا در زمینه سیمان و بتن
نانولوله ها با ا جزاء و ترکیبات سیمان پیوند حاصل کرده و باعث کنترل مناسب سیستم سیمان می شوند [21].
1-8) فولرن ها
در سال 1985 سه دانشمند به نام های رابرت اف13، هارولد کوروتو14 و ریچارد ای15، بر روی فرایندی جهت تولید کلاسترهای کربنی ستاره ای شکل مطالعه می کردند. این روش به وسیله متمرکز کردن لیزر روی یک گرافیت انجام شد. این کشف نشان داد که 60، 70 یا تعداد بیشتری اتم کربن می توانند با هم به صورت خوشه تجمع کنند و مولکولی کروی بسازند.
بعد از انجام این آزمایش ها و طی انجام یک سری آزمایش های طیف سنجی روی محصولات تولید شده، مولکول های C60 در مواد تولید شده کشف شدند. این مولکول به علت شباهتی که با ساختار گنبد توصیف شده توسط معمار معروف، باک مینستر فولر16 داشت، به این نام نامیده شد. دانشمندان مذکور به خاطر این کشف در سال 1996 جایزه نوبل سال را دریافت نمودند. در سال 1990 ولفگانگ17، دنوالد هافمن18 و همکارانش، توصیفی از نخستین روش علمی تولید C60 ارائه دادند [23].
باکی بال مولکولی از 60 اتم کربن (C60) به شکل یک توپ فوتبال است. در اندک زمانی، فولرن هایی کشف شدند که از 28 تا چند صد اتم کربن داشتند. با این حال C60 ارزان ترین و در دسترس ترین آن ها می باشد. لغت فولرن کل مجموعه مولکول های توخالی کربنی را که دارای ساختار پنج ضلعی می باشند، پوشش می دهد. یک فولرن برای آنکه به صورت یک شکل کروی بسته شود، باید دقیقاً 12 وجه پنج گوشه داشته باشد، ولی تعداد وجه های شش گوشه می تواند به طور گسترده ای تغییر کند. ساختمان C60، دارای 20 وجه شش گوشه است. هر کربن فولرن، دارای هیبرید 〖sp〗^2 است و با سه اتم دیگر، پیوندهای سیگما تشکیل می دهد. الکترون باقیمانده در هر کربن، درون سیستمی از اوربیتال های مولکولی در حال گردش است که به کل مولکول، ماهیت آروماتیکی می بخشد [23].
1-9) خواص فولرن ها
فولرن ها دارای الکترون خواهی بالایی بوده و به راحتی از فلزات قلیایی الکترون پذیرفته، یک فاز نمک ایجاد می کنند. یکی از این نمک ها، به شکل بلور پایدار است(K3C60) . این ترکیب در صورت سرد شدن تا دمای 18 کلوین ، به یک ابررسانا تبدیل می شود. حتی فولرن هایی سنتز شده اند که در داخل قفس اتمهای کربن، حاوی اتم های فلز هستند. باکی بال ها از نظر فیزیکی مولکول هایی بیش از حد محکم هستند و قادرند فشارهای بسیار زیاد را تحمل کنند، به طوری که پس از تحمل 3000 اتمسفر فشار به شکل اولیه خود برمی گردند. باکی بال های چند پوسته موسوم به نانو پیازها19، محکم تر هستند و قابلیت بیشتری برای استفاده به عنوان روان کننده دارند. این که باکی بال ها به خوبی به هم نمی چسبند، به این معنا نیست که در جامدات دیگر کاربرد ندارند. وارد کردن مقادیر نسبتاً اندک از آن در یک زمینه پلیمری، موقعیتی برای آن ها به وجود می آورد که بخشی از استحکام بالا و دانسیته پایین آن را به ماده حاصل می بخشد. فولرن ها درون نانولوله ها نیز قرار داده شده اند تا چیزی به نام غلاف نخود پدید آید. اولین بار، این کار در سال 2002 در کره جنوبی و آمریکا به ترتیب با استفاده از C82 و C60 صورت گرفت. فولرن ها رفتار الکتـریکی نانولـوله ها را تغییر داده، مناطقی با خـواص نیمه رسـانایی مختلف را پدید می آورنـد. نتیجه می تواند مجموعه ای از ترانزیستورهای پشت سر هم در یک نانولوله باشد. با تغییر مکان فولرن ها می توان این خواص را تغییر داد. مواد مبتنی بر فولرن ها مصارف مهمی در قطعات فوتونیک دارند. خواص نوری غیرخطی را می توان با افزایش یک یا چند اتم فلزی در بیرون یا درون قفس فولرن ها ارتقاء داد. فولرن ها همچنین در نابودی رادیکال های آزاد که باعث آسیب بافت های زنده می شوند، مفیدند. از فولرن ها می توان به عنوان پیش سازی برای دیگر مواد، همچون روکش های الماسی یا نانولوله ها استفاده کرد و همچنین به طور محدود در تحقیقات بنیادی مکانیک کوانتومی استفاده شده است، چون آن ها بزرگ ترین ذره ای هستند که در دوگانگی موج- ذره ماده دیده شده است [24].
1-10) کاربرد فولرن ها
فولرن ها به دلیل خواص ویژه ای که دارند مثل؛ استحکام مکانیکی، حساسیت در برابر نور و غیره کاربردهای زیادی دارند که در ادامه به برخی از آن ها اشاره می شود.
1-10-1) کاربرد فوتونیک
فولرن ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند. بنابراین کاربردهای فوتونیک زیادی برای این مواد در آینده متصور شده اند [25].
1-10-2) تقویت کننده کامپوزیت ها
فولرن ها از نظر مکانیکی، مولکولهای بیش از حد قوی هستند و تحمل فشارهای بسیار زیاد را دارند، به طوری که پس از تحمل فشار 3000 اتمسفر به شکل اولیه خود (ساختار کروی فولرن) بر می گردند. اخیراً از این خاصیت در تولید نانو کامپوزیت ها استفاده شده است [25].
1-10-3) دارو رسانی
درون فولرن ها می توان برخی آنزیم ها و یا داروها و هورمون های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانوپزشکی می توان از این مواد استفاده نمود. در یکی از جدیدترین کاربردهای فولرن ها برای مبارزه با ویروس ایدز، آنزیم ضد این ویروس را درون فولرن ها جای داده و به درون بدن هدایت کرده اند[24].
1-11) روش های تولید فولرن ها
فولرن ها به مقدار اندکی در طبیعت، در حین آتش سوزی و صاعقه زدگی پدید می آیند. اغلب روش هایی که در تحقیقات مختلف برای تولید فولرن ها به کار می رود، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و یا محصول بدست آمده از آن ها خواص مطلوبی ندارد. برخی از روش های اقتصادی و بهینه برای تولید فولرن ها عبارتند از:
حرارت دهی از طریق مقاومت الکتریکی
حرارت دهی از طریق قوس الکتریکی
حرارت دهی به روش القایی
1-12) 8- هیدروکسی کینولین20
8- هیدروکسی کینولین یک ترکیب هتروسیکل با نام ایوپاک Quinolin-8-olو فرمول مولکولیC9H7NO است. این ترکیب به صورت جامد سفید رنگ و بلوری می باشد. جرم مولی آن برابر g⁄mol 16/145 و نقطه ذوب و جوش آن به ترتیب برابر ℃ 76 و ℃ 276 و چگالی آن برابر g⁄ml 034/1 می باشد.
فرمول ساختاری این ترکیب به صورت زیر است:
شکل 1-10) ساختار 8- هیدروکسی کینولین
8- هیدروکسی کینولین دارای کاربرد های زیادی در پزشکی و کشاورزی و صنعت می باشد که در ادامه به برخی از آن ها اشاره می شود.
1-12-1) کاربرد پزشکی
کمپلکس های حاصل از این هتروسیکل ها (یعنی 8-HQ)، خاصیت ضدعفونی، گندزدایی و آفت کشی از خود نشان می دهند [26]. محلول 8-HQ در الکل، در پانسمان مایع به کار می رود و همچنین 8-HQ به عنوان ضد سرطان نیز به کار گرفته شده است [27].
واکنش 8- هیدروکسی کینولین با یون آلومینیوم منجر به تشکیل یک ترکیب آلی منتشر کننده نور می شود. همچنین تغییراتی که در اثر جانشینی روی حلقه کینولین ایجاد می شود، بر روی خواص لومینسانس آن اثر می گذارد [28و29].
1-12-2) کاربرد در کشاورزی
8- هیدروکسی کینولین سیترات با غلظت 200 میلی گرم در لیتر به همراه ساکارز و سیتریک اسید سبب افزایش طول عمر گل تازه بریده شده رُز می گردد. همچنین سبب می شود میزان کلروفیل گل در سطح بالایی قرار گیرد که باعث شادابی و طول عمر بیشتر گل مربوطه می گردد. تأثیر آن بیشتر از تیوسولفات نقره است [30].
1-12-3) کاربرد در صنعت مهندسی پلیمر
در یک تحقیق کوپلیمر پاروکلرومتیل استایرن با مونومر متیل استایرن به وسیله پلیمریزاسیون رادیکالی آزاد در حضور آغازگر آزوبیاس ایزوبوتیرو نیتریل در دمای ℃70 سنتز گردید. هدف از انجام این واکنش اصلاح شیمیایی کوپلیمر پاروکلرومتیل استایرن توسط 8- هیدروکسی کینولین می باشد برای این منظور کوپلیمر تهیه شده از طریق واکنش جانشینی نوکلئوفیلی گروه بنزیل کلرید (CH2Cl) مورد اصلاح قرار گرفت. ساختار کوپلیمر حاصل به وسیله تکنیک های HNMR و FT-IR تأیید شده است. نتایج آزمایشات نشان می دهد که در طیف FT-IR قبل از اصلاح، نوار مربوط به C-Cl مشاهده گردیده که پس از اصلاح این نوار از بین رفته و نوار جدید مربوط به پیوند C-O اتری درآن پدیدار می شود. همچنین نوار (C=N) که می تواند مبنای مقایسه با کوپلیمر اولیه باشد با وجود اصلاح گر 8-HQ مشاهده گردید. در طیف HNMR قبل از اصلاح پیک مربوط به دو پروتون بنزیل مطرح بوده که بعد از اصلاح، پیک قبلی حذف شده و پیک جدید مربوط به دو پروتون C-O اتری ظاهر گردید. کوپلیمر حاصل می تواند فلزات سنگین را جذب نموده و کاربردهای جدیدی را نیز در بر بگیرد [31].
فصل دوم
شیمی محاسباتی
2-1) مقدمه
شیمی محاسباتی بخشی از شیمی است که به صورت نظری و با استفاده از رایانه، سیستم های شیمیایی مورد مطالعه را مدل سازی می کند. در این روش به وسیله رایانه، نه تنها مقادیر تجربی مربوط به مولکول، مانند انرژی تشکیل و پتانسیل یونش، بلکه مقادیر غیرقابل دسترسی توسط روش های تجربی مانند، وضعیت هندسی21 و حالت های گذار22 را می توان ارزیابی کرد [32]. دو بخش وسیع در شیمی محاسباتی وجود دارد که به ساختار مولکول ها و واکنش پذیری آن ها اختصاص می یابد: 1) مکانیک مولکولی 2) تئوری ساختار الکترونی[33]. هر دوی این روش ها، محاسبات اساسی مشابهی را انجام می دهند که عبارتند از:
– محاسبه انرژی یک ساختار مولکولی مخصوص (آرایش فضایی اتم ها یا هسته ها و الکترون ها). خواص مربوط به انرژی نیز می تواند توسط بعضی از روش ها پیش بینی شود.
– محاسبه فرکانس های ارتعاشی حاصل از حرکت یا جنبش بین اتمی در مولکول ها. فرکانس ها با مشتق دوم انرژی که به ساختار اتمی بستگی دارند، پیش بینی می شوند. محاسبات فرکانس برای تمام روش های شیمی محاسباتی، ممکن نیست.
2-2) شیمی انفورماتیک
شیمی انفورماتیک علم استفاده از رایانه و تکنیک های علمی و به کارگیری آن در رشته شیمی است. این رشته یک رشته بسیار جدید است که در دهه 1990 معرفی شده و هنوز یک توافق کامل بر روی این رشته وجود ندارد، با این حال خیلی از تکنیک هایی که امروزه در این رشته استفاده می شود نتیجه تحقیقات متمادی و مداوم علمی، آزمایشگاهی و صنعتی است. یکی از مشخصات این رشته این است که تمامی تکنیک ها باید بر روی تعداد زیادی مولکول انجام شود تا نتیجه دلخواه بدست آید. با تأکید بر این موضوع که این روش ها باید با روش های رایانه ای بر روی ساختار شیمیایی دو و سه بعدی ادغام شود. علم بیوانفورماتیک معمولاً با ساختار و عملکرد مولکول های بزرگ مثل اسید نوکلئیک و پروتئین سروکار دارد ولی مولکول های کوچک هم نقش مهمی در سلول بازی می کنند، این مولکول ها با مولکول های بزرگ فعل و انفعال ایجاد کرده و به عنوان لیگاند، کوفاکتور و تنظیم کننده عمل می کنند. تعمیم همه انواع آنالیزها در قالب بانک اطلاعاتی بزرگ گردآوری شده از مولکولها، هدف عالی شیمی انفورماتیک است. هدف شیمی انفورماتیک این است که طراحی مولکول و دارو و توسعه آن ها را در قالب الگویی مناسب ترکیب کند. شیمی محاسباتی و مدل سازی، بخشی از حوزه دانش انفورماتیک هستند[33].

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید