شبیه سازی دینامیک مولکولی مایعات یونی بر پایه ایمیدازولیم: تعیین خواص دینامیکی و انتقالی، ساختار و نقطه ذوب

در بخش اول این رساله، از شبیه سازی دینامیک مولکولی برای مطالعه خواص دینامیکی و انتقالی 12 مایع یونی در دمای اتاق از خانواده 1- آلکیل-3- متیل ایمیدازولیم، [amim]+، (با گروه های آلکیل جانبی متیل، اتیل، پروپیل و بوتیل) همراه با آنیون های هگزا فلوئورو فسفات، نیترات و کلرید استفاده شده است. هدف بخش اول تحقیق، فراهم نمودن فهمی از ضرایب انتقالی این مایعات در سطح مولکولی است تا به افراد تجربی در انتخاب کاتیون و آنیون سازنده مایعات یونی متناسب با خواص مورد نیاز این حلال ها کمک کند. دینامیک مایعات یونی با مطالعه میانگین مربع جابجایی (msd) و تابع خود همبستگی سرعتی (vacf) برای مرکز جرم یون ها در دمای 400 کلوین مشخص شد. با انجام متوسط گیری روی مسیر ها، ضرایب نفوذ یونی از روی شیب بخش خطی نمودار های msd و از روی انتگرال vacf تعیین و ارزیابی شدند. هدایت الکتریکی از روی روابط نرنست- اینشتین و گرین-کوبو محاسبه شد و ویسکوزیته نیز از روی رابطه استوک- اینشتین تعیین گردید. نتایج ضرایب انتقالی محاسبه شده در توافق با مطالعات تجربی و محاسباتی قبلی بر روی نمک های ایمیدازولیم قرار دارد. معمولاً شبیه سازی های ما ضریب نفوذ و هدایت الکتریکی را کمتر از مقادیر تجربی محاسبه می کنند در حالی که ویسکوزیته بیشتر از مقدار تجربی تخمین زده می شود. نتایج شبیه سازی در پیش بینی روند های نسبی ضرایب انتقالی و تعیین نقش ساختار کاتیون و آنیون بر رفتار دینامیکی و انتقالی این خانواده از مایعات یونی به توافق خوبی با تجربه دست یافت. روند ضریب نفوذ برای یک دسته از کاتیون ها در حضور آنیون های یکسان به صورت [emim]+ > [pmim]+ > [bmim]+ و برای آنیون ها در حضور کاتیون های یکسان به صورت [no3] > [pf6]> [cl] است. کاتیون [dmim]+ به خاطر تقارن ساختاری و انباشتگی خوب آن در فاز مایع، ضریب نفوذ نسبی پایینی دارد. در یک خانواده با کاتیون های یکسان، مایعات یونی دارای آنیون no3– بالاترین هدایت الکتریکی را دارند: σ[no3] > σ[pf6]> σ[cl] . مایعات یونی دسته [dmim][x] به خاطر تقارن ساختاری کاتیون¬شان و انباشتگی خوب و مایعات یونی دسته [bmim][x] به خاطر برهم کنش های واندروالسی بزرگ تر، بیشترین ویسکوزیته را در بین مایعات یونی مورد مطالعه دارند. شبیه سازی های این رساله نشان می دهد که شکل هندسی، اندازه یون و عدم استقرار بار در آنیون از عوامل اصلی تعیین کننده مقدار ضرایب انتقالی هستند. در بخش دوم رساله، ما از شبیه سازی دینامیک مولکولی برای مطالعه¬ی ساختار, دینامیک و ذوب هم نهشت بلور دوتایی مخلوطی با کسر مولی یکسان از مایع یونی 1- اتیل-3- متیل ایمیدازولیم بیس- (تری فلوئورو متان سولفونیل) ایمید با بنزن، [emim][ntf2]•c6h6، استفاده کردیم. تغییرات در نظم مولکولی، توابع توزیع شعاعی، چگالی، انرژی پیکربندی و رفتار دینامیکی گونه ها برای تشخیص و توصیف فرایند ذوب استفاده شدند. برای پیش بینی نقطه ذوب و به منظور جلوگیری از فوق گرم شدن فاز جامد، روش ”ذوب القاء شده با نقص“ استفاده شد. نقطه ذوب محاسبه شده برابر k 4±290 به دست آمد که در توافق عالی با نقطه ذوب تجربی (k 288) است. توصیف دینامیک یون ها و مولکول های بنزن با مطالعه msd و توابع خود همبستگی جهت گیری (oacf) صورت گرفت. حضور مولکول های بنزن به مقدار استوکیومتری همبستگی های یونی بین نزدیک ترین همسایه های [emim]+ و [ntf2]– در فاز مایع را تضعیف نمی کند اما سبب افزایش msd کاتیون و آنیون در مخلوط نسبت به مایع یونی خالص می شود که نشان می دهد دومین لایه همبستگی های یونی در مخلوط دوتایی تضعیف شده اند. ما حرکت چرخشی شاخه های آلکیل جانبی کاتیون های ایمیدازولیم را مشاهده کردیم و همچنین مقدار انرژی فعال سازی برای چرخش مولکول های بنزن حول محور تقارنی 6c شان در جایگاه های شبکه¬ای آنها قبل از ذوب را محاسبه نمودیم