فهرست مطالب

 

چكیده 1

فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته. 2

1-1- مقدمه. 3

1-2- نانو تكنولوژی.. 3

1-3- نیروهای مؤثر در ابعاد نانومتری.. 4

1-3-1- نیروهای واندروالس… 4

1-3-2- نیروهای كوالانسی.. 4

1-3-3- نیروهای غیرموضعی بدون جهت.. 5

1-4- انواع نانوساختارها 5

1-5- نانو لوله‌ها 6

1-6- نانو لوله‌های بورون نیترید. 8

1-6-1- تاریخچه‌ مختصری از تهیه‌ی نانو لوله‌های بورون نیترید. 9

1-6-2- پیكربندی نانو لوله‌های بورون نیترید. 10

1-6-3- انواع ساختارهای نانو لوله بورون نیترید. 10

1-6-4- روش‌های ساخت نانولوله بورون نیترید. 11

1-6-4-1- سایش با لیزر. 12

1-6-4-2- رسوب‌گیری بخار شیمیایی (CVD) 12

1-6-4-3- تخلیه قوس الكتریكی.. 13

1-6-4-4- اتوكلاو. 13

1-6-5- مقایسه‌ی خواص نانو لوله بورون نیترید با نانو لوله‌ی كربنی.. 13

1-6-5-1- الكترونگاتیویته. 14

1-6-5-2- شكل ظاهری.. 15

1-6-5-3- رسانایی و لومیسانس… 15

1-6-5-4- خواص مكانیكی و حرارتی.. 16

1-6-5-5- كاربرد. 16

1-6-6- كاربردهای نانو لوله بورون نیترید. 16

1-6-6-1- ذخیره هیدروژن. 16

1-6-6-2- نانو پركننده در كامپوزیت‌ها 16

1-6-6-3- سازگاری با بافت زنده و كاربرد آن. 17

1-6-6-4- كاربردهای دیگر. 17

1-7- مروری بر تحقیقات گذشته. 19

فصل دوم: مباحث تئوری.. 26

2-1- مقدمه. 27

2-2- مكانیک مولكولی (MM) 27

2-3- مكانیک كوانتومی (QM) 28

2-3-1- روش‌های نیمه تجربی.. 31

2-3-1-1- روش‌های تجربی میدان نیرو(مكانیک مولكولی) 31

2-3-2- روش‌های ab-initio. 32

2-3-3- توانایی‌های روش ab-initio. 32

2-3-4- محدودیت‌های روش ab-initio. 33

2-3-5- نكات قوت روشن ab-initio. 33

2-3-6- توابع پایه (basis set) 33

2-3-6-1- سری‌های پایه‌ی ظرفیتی ـ شكافته. 34

2-3-6-2- سری پایه‌ی قطبیده 35

2-3-6-3- سری پایه پخش شده 35

2-3-6-4- سری پایه‌ی اندازه‌ی حركت زاویه‌ای بالا. 35

2-3-7- روش هارتری ـ فاك… 36

2-3-7-1- روش هارتری ـ فاك محدود شده (RHF) و محدود نشده (UHF) 37

2-3-8- گرادیان و مشتقات مرتبه‌ی دوم هارتری ـ فاك… 37

2-3-9- همبستگی الكترونی.. 37

2-3-10- تئوری اختلال. 38

2-3-11- تئوری تابع چگال. 39

2-3-11-1- معادلات كوهن ـ شم. 41

2-3-11-2- اوربیتال‌های كوهن ـ شم. 42

2-3-11-2- روش چگالی موضعی (LDA) 44

2-3-11-4- روش‌های تصحیح گرادیان. 46

2-3-11-5- مزایا و معایب روش DFT. 46

 

2-4- روش‌های كامپیوتری.. 48

2-4-1- گوسین 98 (Gaussian 98) 48

2-4-2- نرم‌افزار Gauss view.. 50

2-4-3- هایپر كم. 50

2-4-4- Chem Draw.. 51

2-5- تاریخچه‌ NMR.. 51

2-6- محاسبات آغازین پارامترهای NMR.. 52

2-6-1- روش‌های محاسبات كامپیوتری.. 53

2-6-2- روش GIAO.. 53

2-6-3- روش LGLO.. 54

فصل سوم: روش كار و بررسی داده‌ها 56

فصل چهارم: نتایج.. 75

4-1- بررسی نتایج حاصل برای ساختار B21N21 در فاز گازی و دمای 298 كلوین. 76

4-2- بررسی نتایج حاصل برای ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف… 79

منابع.. 90

 

فهرست جداول

جدول (1-1) ویژگی‌های نانو لوله بورون نیترید در مقایسه با نانو لوله كربنی.. 14

جدول (1-2) بهبود هدایت گرمایی كامپوزیت‌های پلی مری نانو لوله‌های بورون نیترید. 17

جدول (2-1) مقایسه‌ی عملكرد روش‌های مختلف DFT (شباهت نتایج حاصل از روش MP2 یا روش تئوری تابعیت قابل توجه است) 47

جدول (3-1) مقادیر پارامترهای ترمودینامیكی برای نانو لوله B21N21 تحت متدها و توابع گوسی مختلف در محیط گازی و دمای 298 كلوین   61

جدول (3-2) مقدار گشتاور دو قطبی تركیبی B21N21 در متدها و توابع كوسی مختلف در فاز گاز و دمای 298 كلوین.. 61

جدول (3-3) توابع ترمودینامیكی به‌دست آمده در حال‌های مختلف تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G.. 63

جدول (3-4) باركلی ایجاد شده در حلال‌‌های مختلف.. 64

جدول (3-5) مقدار گشتاور دو قطبی تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال‌های مختلف.. 65

جدول (3-6) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در فاز گاز و دمای 298 كلوین   66

جدول (3-7) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال آب.. 68

جدول (3-8) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال نیترومتان  69

جدول (3-9) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال اتانول. 70

جدول (3-10) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال استون  71

جدول (3-11) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال دی‌كلرواتان  72

جدول (3-12) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال كلروفرم  73

جدول (3-13) مقادیر پارامترهای NMR مربوط به تركیب B21N21 تحت متد B3LYP و تابع پایه 6-31G در حلال تترا کلرید کربن   74

فهرست اشكال و نمودار

شكل (1-1)الف: ساختار كلی نانو لوله‌های تك لایه و چند لایه. 6

ب: نانو لوله تك لایه و چند لایه كربنی.. 6

شكل (1-2)الف: ساختار نانو لوله كربنی بسته با پیكربندی (a) صندلی شكل (b) زیگزاگی و © كایرال. 8

ب: ساختار نانو لوله بورون نیترید باز با پیكربندی (a) صندلی شكل (b) زیگزاگی و © كایرال. 8

شكل (1-3) ساختار نانو لوله بورون نیترید با فرمول عمومی  برای 10-1=n. 9

شكل (1-4) ساختارهای (a) صندلی، (b) زیگزاگ و © كایرال نانو لوله بورون نیترید. 11

شكل (1-5) نانو لوله كربنی و نانو لوله بورون نیترید. 14

شكل (1-6) شكل ظاهری نانو لوله كربنی (a) و نانو لوله بورون نیترید (b) 15

شكل (1-7) (a) تصویر TEM از نانو لوله بورون نیترید با ساختار فنجانی انباشته. (b) تصویر بزرگنمایی شده HREM نانو لوله © مدل ساختاری نانو لوله دارای چهار دیواره‌ای با ساختار فنجانی انباشته (d) تصویر TEM از نانو لوله بامبو مانند و (e) تصویر بزرگنمایی شده HREM مربوط به بخشی از تصویر d كه با فلش سفید نشان داده شده است. 18

شكل (3-1) ساختار B21N21 از ابعاد مختلف.. 59

شكل (4-1) نمودار انرژی آزاد گیبس در متدها و توابع پایه‌ی مختلف.. 76

شكل (4-2) نمودار آنتالپی در متدها و توابع پایه‌ی مختلف.. 77

شكل (4-3) نمودار انرژی درونی در متدها و توابع پایه‌ی مختلف.. 77

شكل (4-4) نمودار zero point energy در متدها و توابع پایه‌ی مختلف.. 78

شكل (4-5) نمودار ممان دو قطبی سیستم B21N2 در متدها و توابع پایه‌ی مختلف.. 79

شكل (4-6) نمودار گشتاورهای دو قطبی سیستم B21N21 در حلال‌های مختلف.. 80

شكل (4-7) نمودار бise برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف.. 80

شكل (4-8) نمودار бaniso برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف.. 81

شكل (4-9) نمودار d برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف.. 81

شكل (4-10) نمودار h برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف.. 82

شكل (4-11) نمودار Dб برای اتم‌های مختلف ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف.. 82

شكل (4-12) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در فاز گازی و دمای 298 كلوین.. 83

شكل (4-13) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در حلال آب.. 83

شكل (4-14) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در نیترومتان. 84

شكل (4-15) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در اتانول. 84

شكل (4-16) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در استون. 85

شكل (4-17) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در 2 و 1- دی‌كلرو اتان. 85

شكل (4-18) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در كلروفرم. 86

شكل (4-19) نمودار پارامترهای رزونانس مغناطیسی هسته‌ی سیستم B21N21 در تتراكلرید كربن.. 86

شكل (4-20) نمودار بار كلی اتم‌ها بر حسب ساختار B21N21 در حلال‌های مختلف.. 87

شكل (4-21) نمودار باركلی اتم‌ها بر حسب ساختار B21N21 در فاز گازی و دمای 298 كلوین.. 87

شكل (4-22) نمودار باركلی اتم‌ها برحسب ساختار B21N21 در حلال قطبی آب.. 88

شكل (4-23) نمودار باركلی اتم‌ها برحسب ساختار B21N21 در حلال غیرقطبی تتراكلریدكربن.. 88

 

 

فصل اول

 

مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته

 

1-1- مقدمه

با نگاهی به تاریخ علم و تكنولوژی می‌توان مشاهده كرد كه اختراع و اكتشافات جدید راهبردی نو در عرصه زندگی بشر ایجاد كرده است، به گونه‌ای كه هر اختراع و اكتشافی عموماً جهت راحتی و آسایش بشر بوده است ولی در برخی موارد انسان با استفاده نادرست از این فناوری‌ها خود مسیر زندگی خویش را تغییر داده است و هر اختراعی بر شاخه‌های دیگر علوم نیز تأثیرگذار بوده است.

سال 1959 سالی تاریخی برای علوم و تكنولوژی است زیرا در این سال اتفاق‌های عظیمی به وقوع پیوست كه شامل پرتاب اولین شیء فضایی به ماه، ساخت اسیدهای نوكلئیک مصنوعی و ساخت اولین دستگاه زیراكس بود.[3]

در روزهای آخر سال 1959 ریچارد فاینمن[1] مشهورترین فیزیكدان دهه 60 میلادی، پیشنهاد كرد كه می‌توان اتم‌های مجزا را دستكاری كرد و مواد و ساختارهای كوچكی را تولید نمود كه خواص متفاوتی دارد. در آن زمان این فعالیت را نانوتكنولوژی نمی‌نامیدند. ریجارد فاینمن در سال 1965 موفق به ساخت سیلیكون‌های منفذدار و تولید نانوذرات فلزی شد و در همین سال برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک شد. اریک دركسلر؛ دانشجوی فاینمن فعالیت‌های استاد خود را ادامه داد و یک تصویر اساس سیستم‌های ماشینی مولكولی ارائه داد و به فعالیت‌های خود و استادش نام «نانوتكنولوژی[2]» داد. در سال 1966 ریچارد فاینمن موفق به ساخت اولین وسیله در حد نانو شد.[3]

پیشوند نانو در اصل یک كلمه‌ی یونانی است. معادل لاتین این كلمه Dwarf است كه به معنی كوتوله و كوتاه قد است. یک نانومتر یک میلیاردیم متر () است. این مقدار حدود 4 برابر قطر یک اتم است، مكعبی با ابعاد 2/5 نانومتر ممكن است حدود 1000 اتم را شامل شود.[4]

1-2- نانو تكنولوژی

نانوتكنولوژی، از دو بخش نانو و تكنولوژی تشكیل یافته است. نانو از كلمه‌ی یونانی نانوس به معنای كوتوله آمده است و به پیشوند 9-10 متر اطلاق می‌شود. در بخش دوم یعنی تكنولوژی، سخن از یک علم جدید و ناآشنا نیست بلكه فن و تكنیكی است كه به ما می‌آموزد چطور از دانسته‌های قبلی خود استفاده كنیم.

به بیان ساده علم نانو مطالعه‌ی اصول اولیه‌ی مولكول‌ها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می‌نامیم. نانو تكنولوژی، كاربرد این ساختارها در دستگاه‌های با اندازه‌ی نانومتری است.[3]

تعریف دیگری كه می‌توان از نانو تكنولوژی ارائه نمود این است كه نانوتكنولوژی شكل جدیدی از ساخت مواد به وسیله‌ِی كنترل و دستكاری واحدهای ساختمانی آنها در مقیاس نانو می‌باشد. می‌توان گفت كه نانوتكنولوژی تولید كارآمد مواد و دستگاه‌ها و سیستم‌ها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است كه در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند.[2]

شاید این سؤال در ذهن به وجود آید كه چه چیزی در مقیاس نانومتر وجود دارد كه یک تكنولوژی بر پایه‌ی آن بنا نهاده شده است، آنچه باعث ظهور نانوتكنولوژی شده نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است، این موضوع یكی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو است. در مقیاس نانو اشیاء شروع به تغییر رفتار می‌كنند و رفتار سطوح بر رفتار توده‌ای ماده غلبه می‌كند. در این مقیاس برخی روابط فیزیكی كه برای مواد معمولی كاربرد دارد نقض می‌شوند. در حقیقت در این مقیاس قوانین فیزیک كوانتوم وارد صفحه می‌شوند و امكان كنترل خواص ذاتی ماده وجود نخواهد داشت.[1]

1-3- نیروهای مؤثر در ابعاد نانومتری

نیروهایی كه اتم‌ها را با یكدیگر پیوند می‌دهند به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

1-3-1- نیروهای واندروالس[3]