فهرست مطالب:

1-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………….2

1-2- نانوچیست؟…………………………………………………………………………………….2

1-3- تاریخچه فناوری نانو…………………………………………………………………………….3

1-4-کربن……………………………………………………………………………………………….3

1-5- انواع گونه های کربن……………………………………………………………………………3

1-5-1-گرافیت………………………………………………………………………………………..4

1-5-2- الماس………………………………………………………………………………………..5

1-5-3-فولرن…………………………………………………………………………………………..5

1-5-4-گرافن…………………………………………………………………………………………..6

1-6- ­نانولوله های کربنی…………………………………………………………………………..7

1-7- تاریخچه نانولوله ها…………………………………………………………………………….7

۱-8- انواع نانولوله های کربنی……………………………………………………………………7

1-8-1- نانولوله تک جداره…………………………………………………………………………..8

2-8-2- نانو لوله چند جداره ……………………………………………………………………….8

1-8-3-فولرایت……………………………………………………………………………………….8

1-8-4- تروس یا حلقه ای………………………………………………………………………….8

1-8-5- ساختارهای غیر ایده آل……………………………………………………………………8

1-9- ساختارنانولوله ها……………………………………………………………………………..9

1-9-۱- ساختار هندسی…………………………………………………………………………….9

1-9-2 – ساختارالکترونی…………………………………………………………………………..10

1-10- فیزیکی و شیمیایی نانو لوله­ ها …………………………………………………………..11

1-11- واكنش‌پذیری شیمیایی نانولوله ­های کربنی………………………………………………11

1-12- نانو لوله كربنی- روش های­تولید………………………………………………………………12

1-12-1- روش تخلیه قوس الکتریکی……………………………………………………………..12

1-12-2- روش فرسایش لیزر……………………………………………………………………….13

1-12-3- رسوب بخار شیمیایی…………………………………………………………………….13

1-13- ویژگی های نانو لوله های كربنی……………………………………………………………14

1-14- كاربردهای نانولوله‌های کربنی……………………………………………………………….16

1-14-1-کابل های برق………………………………………………………………………………..16

1-14-2- حسگرها…………………………………………………………………………………….16

1-14-3-پزشکی……………………………………………………………………………………..17

1-14-4-حافظه­ های ­نانولوله ­ای…………………………………………………………………..17

1-14-5- دیگر کاربردها………………………………………………………………………………..17

فصل دوم مقدمه ای بر شیمی محاسبات

2-1- شیمی محاسباتی……………………………………………………………………………19

2-2- شیمی محاسباتی شامل روش های مختلف ریاضی در دو مدل تقسیم بندی می شود..19

2-2-1- مدل مكانیك مولكولی……………………………………………………………………..19

2-2-2- مدل مکانیک کوانتومی……………………………………………………………………..20

2-3- تئوری ساختار الكترونی………………………………………………………………………21

2-3-1- روش‌های نیمه تجربی……………………………………………………………………21

2-3-2- روش‌های آغازین (Ab initio)…………………………………………………………21

2-3-3- روش هایی بر پایه نظریه تابعیت چگالی(DFT)………………………………………..21

2-4- مجموعه پایه………………………………………………………………………………….21

2-5- تئوری تابعیت چگالی(DFT)………………………………………………………………….22

2-5-1- قضیه هوهنبرگ – کوهن…………………………………………………………………23

2-5-2- نظریه کوهن – شم………………………………………………………………………..25

2-5-2- تابعیت­های تبادل – همبستگی…………………………………………………………..26

2-6- تقریب های مورد استفاده در محاسباتDFT…………………………………………..

2-6-1- تقریب دانسیته محلی(LDA)……………………………………………………………27

2-6-2- تقریب شیب تعمیم یافته (GGA)……………………………………………………….29

2-6-3- روش پیوستگی آدیاباتیک (ACM)………………………………………………………..30

2-7- پتانسیل مؤثر هسته (ECP)…………………………………………………………………32

فصل سوم اشکال و جداول

3-1- اهمیت نانو لوله های کربنی (CNT)………………………………………………………..35

3-2- برنامه های محاسباتی مورد استفاده…………………………………………………….35

3-3- جزئیات محاسباتی……………………………………………………………………………36

3-4- شکل ساختارهای بهینه شده کمپلکس ها………………………………………………36

3-5- جداول…………………………………………………………………………………………45

فصل چهارم نتایج و بحث

4-1- بررسی نتایج بدست آمده برای کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]……………………………..60

4-1-1- بررسی طول پیوندی و انرژی برهمکنش کمپلکس[CNT-Ln(H2O)n] ………………..60

4-1-2- بررسی هدایت الکتریکی کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]………………………………….62

4-1-3- بررسی نتایج بدست آمده از آنالیز QTAIM در کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]………….66

4-1-4- بررسی نتایج بدست آمده از آنالیز NBO در کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]………………68

4-2- بررسی نتایج کمپلکس [CNT-Ln(H2)n]……………………………………………………..70

4-2-1- بررسی طول پیوندی و انرژی برهمکنش برای کمپلکس  [CNT-Ln(H2)n]…………….70

4-2-2- بررسی هدایت الکتریکی کمپلکس  [ CNT-Ln(H2)n]…………………………………..72

4-2-3- نتایج بدست آمده از آنالیز QTAIM در کمپلکس [CNT-Ln(H2)n]………………………..75

4-2-4- نتایج آنالیز NBO در کمپلکس [CNT-Ln(H2)n]………………………………………………76

4-3- بررسی ناخالصی اتم لانتانیدی در نانولوله های BC3, BC2N…………………………..

4-3-1- بررسی ناخالصی اتم لانتانیدی در هدایت الکتریکی نانولوله BC3…………………..

4-3-2- بررسی ناخالصی اتم لانتانیدی در هدایت الکتریکی نانولوله BC2N……………….

4-4- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………..84

4-5- پیشنهادات………………………………………………………………………………………84

منابع…………………………………………………………………………………………………..85

چکیده:

در این پایان نامه، به بررسی نظری اثر حضور ناخالصیهای لانتانیدی بر روی ساختار الکترونی نانولوله­های کربنی(CNT)  و نانولوله­های BC3،BC2N  پرداخته شده است. همچنین اثر کاتیونهای لانتانیدی (La3+,Eu3+,Lu3+) دکره شده در فرآیند جذب H2O و  H2در کمپلکس­های [CNT-Ln(H2O)n] و
 [CNT-Ln(H2)n] بررسی گردیده است. محاسبات شیمی کوانتومی در سطح نظریه تابعیت چگالی، برای این کمپلکس­ها با بهره گرفتن از روش محاسباتی B3LYP و از مجموعه پایه ECP/7s 6p 5d برای اتمهای لانتانیدی و هم چنین از مجموعه پایه 6-31G* برای سایر اتم­ها انجام شده است. انرژی برهمکنش، آنالیز اتم­ها در مولکولها(AIM)  و آنالیز اوربیتال­های طبیعی پیوندی (NBO) در کمپلکس­های [CNT-Ln(H2O)n] و [CNT-Ln(H2)n] مطالعه شده­اند. با جایگزین کردن کاتیون لانتانیوم در کمپلکسهای [BC3-La] و  [BC2N-La] نتایج محاسبات نشان داد که شکاف انرژی نسبت به نانولوله اولیه تغییر یافته و به ترتیب باعث کاهش و افزایش رسانایی در این کمپلکس­ها شده است.

فصل اول: نانولوله های کربنی

1-1- مقدمه

شیمی­فیزیک[1] دانشی از علم شیمی است که به بررسی ماهیت شیمیایی سیستم های شیمیایی، از نظر اصول و قوانین نظری فیزیکی می ­پردازد. در واقع شیمی فیزیک رابطه میان دو علم شیمی و فیزیک را برقرار می­ کند و به دانش فیزیک بسیار نزدیک است. رشته­هایی مانند نانو شیمی، شیمی سطح، شیمی کوانتوم، طیف سنجی مولکولی، ترمودینامیک، شیمی هسته­ای همه بیانگر ارتباط شیمی فیزیک به دانش فیزیک است ]1[.

2-1- نانو چیست؟

قرن بیست و یکم قرن فناوری نانو، پدیده ای بزرگ است که در تمامی گرایش­های علمی راه یافته است. فناوری نانو از کلمه یونانی به معنی “کوتوله” سرچشمه گرفته است. نانو فقط یک مقیاس است، یک میلیاردم یک متر و یا حدود یک صد هزارم ضخامت تار موی انسان است.

در بعد نانو خصوصیات فیزیکی و شیمیایی اتم ها، مولکول ها با خصوصیات توده ماده فرق دارد و همین مشخصات باعث پیدایش دستاوردهای جدیدی در علوم پزشکی و مهندسی شده است ]2[.

3-1- تاریخچه فناوری نانو

  ایده فناوری نانو برای اولین بار در سال 1959 توسط فیزیکدان معروف ریچارد فاینمن[1] که در بحث خود با عنوان “فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد” مطرح شده است. او در بحث خود، امکان سنتز از طریق دستکاری مستقیم اتم ها و مولکول ها، در آینده را ارائه داد. اصطلاح فناوری نانو اولین بار توسط نوریو تایونگوچی2 در سال 1974 جهت دستیابی به اندازه­هایی در حدود یک نانومتر مورد استفاده قرار گرفت. چشم انداز های فاینمن انقلابی در راه اندازی مسابقه جهانی فناوری نانو بود.

 در سال 1981 اریک درکسلر3 اولین مقاله خود را در مورد نانو تکنولوژی مولکولی ارائه داد ]3و4[.

4-1- کربن

كربن یكی از متنوع ترین عناصر شناخته شده برای بشر است. تقریبا 79 درصد از شیمی آلی را کربن تشکیل می­دهد. کربن در حالت پایه دارای ساختار الکترونی 1s22s22p2 است. هیبریداسیون sp3 اتم های کربن، این اجازه را به کربن می­دهد که چهار پیوند کووالانسی با اتم های دیگر داشته باشد. در فناوری نانو، ترکیبات کربن یک دسته مهمی را تحت عنوان نانو ساختارهای کربنی به خود اختصاص می­دهند. نانو ساختارهای کربنی دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ویژه­ای هستند و به همین لحاظ باعث پیشرفت­های متفاوتی در عرصه فناوری نانو شده است ]5[.

5-1- انواع گونه های کربن

از لحاظ میکروسکوپی کربن در انواع مختلفی در طبیعت یافت می­شود. ترکیبات کربن مانند گرافیت، الماس، کربن­های بی شکل (آمورف)، فولرن، نانو الیاف کربنی، نانولوله­های کربنی و گرافن هستند. انواع گونه ­های کربن در شکل 1-1 آورده شده است. فولرن یک نانو ماده­ی صفر بعدی، نانولوله های کربنی یک نانوماده­ی یک بعدی و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی در نظر گرفته می‌شوند [6].

 

در زیر بعضی از خصوصیات و ویژگی های انواع مختلف کربن آورده شده است.

1-5-1- گرافیت

گرافیت یکی از رایج ترین فرم­های کربن است. بر خلاف الماس، گرافیت یک هادی الکتریکی است. بنابراین می­توان آن را به عنوان نمونه در الکترود لامپ قوس الکتریکی استفاده کرد. در شرایط استاندارد گرافیت پایدارترین شکل کربن است. بنابراین از آن در ترموشیمی به عنوان شرایط استاندارد برای تعریف گرمای تشکیل ترکیبات کربن استفاده می­ کنند. گرافیت یک ساختار شش ضلعی از اتم­های کربن است که دارای هیبرید sp2 می باشند. اتمهای کربن با پیوند های کوالانسی به هم متصل شده اند ]7[. شکل 1-2 صفحات گرافیت را نشان می­دهد. در لایه های بین صفحات نیروهای ضعیف واندر والسی وجود دارد و به همین علت لایه های گرافیت به خوبی بر روی هم نگه داشته می­شود. از پودر گرافیت به عنوان روان کننده خشک استفاده می­شود. از نظر فعالیت شیمیایی، گرافیت کمی فعال تر از الماس است و دلیل آن توانایی نفوذ پذیری واکنش­دهنده­ها بین لایه های شش ضلعی از اتم های کربن در گرافیت است ]8[.

2-5-1- الماس

الماس یکی از آلوتروپ شناخته شده کربن است. سختی و درخشندگی الماس، آن را برای کاربردهای صنعتی و جواهرات مفید می­سازد. الماس سخت ترین ماده طبیعی شناخته شده است. با ادامه پیشرفت در تولید الماس مصنوعی کاربردهای آینده آن امکان پذیر می­شوند. همچنین از الماس به عنوان نیمه رسانا برای ساخت تراشه به عنوان فرو رفتن حرارت در الکترونیک استفاده می­شود. ساختار بلوری الماس در شکل 1-3 آورده شده است.

در ساختار بلوری الماس، چهاروجهی­ها با همدیگر یک شبکه سه بعدی از حلقه­های کربن شش ضلعی تشکیل می­ دهند که این شبکه پایدار از پیوند کووالانسی و حلقه شش ضلعی دلیل سخت شدن الماس است. هر اتم کربن در الماس با چهار اتم کربن دیگر پیوند کوالانسی با هیبرید sp3 دارد ]9[.

3-5-1- فولرن

 فولرن به عنوان یک آلوتروپ دیگر کربن در سال ۱۹۸۵ توسط یک گروه از دانشمندان دانشگاه رایس کشف شد ]10[. فولرن­ها مولکول هایی با اندازه های مختلف بوده و به طور کامل از کربن تشکیل شده ­اند که به شکل کره تو خالی، بیضی و یا لوله ای می­باشند. ساده ترین فولرن، شامل ۶۰ اتم کربن در یک ساختار کروی است که بیست تا شش وجهی و دوازده تا پنج وجهی منظم دارد که در شکل 1-4 نشان داده شده است. هر اتم کربن در فولرن، دارای هیبریدsp2 است و با سه اتم کربن دیگر، پیوندهای سیگما تشکیل می‌دهد. این مولکول‌های قفس مانند با فرمول­های C60، C70 و C78 وجود دارند. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی فولرن در حال حاضر به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. فولرن­های مورد مطالعه در سال 2003 استفاده دارویی داشتند. محققان با اتصال آنتی بیوتیک­های خاص به ساختار فولرن توانستند باکتری­های مقاوم و حتی سلول­های سرطانی خاص مانند ملانوم را مورد هدف قرار داده و راهکارهای درمانی را پیشنهاد دهند ]11[.

4-5-1- گرافن

گرافن یک تک لایه دو بعدی از گرافیت است که اتم­های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی هستند و هیبریداسیون  sp2دارند. شکل 1-5 ساختار اتمی گرافن است که در آن اتم‏های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده ‏اند. گرافن دارای خواص الکتریکی و حرارتی و فیزیکی فوق العاده می­باشد. گرافن را می­توان توسط لایه برداری مکانیکی از گرافیت تولید کرد. یکی از کاربردهای آن شامل جایگزین کردن سیلیکون در دستگاه­های الکترونیکی با عملکرد بالا است ]12[.

6-1- نانولوله های کربنی

نانولوله­های کربنی یکی از آلوتروپ های کربن با نانو ساختار استوانه ای می­باشد که buckytubes نیز نامیده می­شوند. نانولوله­های کربنی، مولکول­های کربن استوانه ای با خواص فوق العاده هستند که آنها را در طیف گسترده­ای از کاربردهای صنعتی ( به عنوان نمونه در نانو الکترونیک، اپتیک و غیره) مفید می­سازند. نانولوله­ های کربنی دارای خواص الکتریکی منحصر به فرد و هدایت حرارتی و خواص الکتریکی و مکانیکی می باشند ]13[.

1Richard Feynman

2NorioTaniguchi

3Eric Drexler

[1]Physical Chemistry