مطالعه جریان نفوذی مولکول های آب در یک نانوچنبره زیگزاگ

مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که نانولوله های کربنی می توانند با حمل مواد مختلف از درون غشاهای سلولی به عنوان ناقلان مولکولی عمل کنند. این کاربردها مربوط به توانایی نانولوله در انتقال یک سیال و بخصوص محلول های آبی در مقیاس نانو می باشد. به همین دلیل, مطالعه سامانه های آب-نانولوله در علوم و فناوری نانو همواره از اهمیت زیادی برخوردار بوده است. در نانوچنبره ها، علاوه بر انحنای موجود در نانولوله ها، یک انحنای دیگر نیز وجود دارد که مربوط به نحوه ی پیچش نانولوله برای تشکیل چنبره است. بنابراین، به نظر می رسد, رفتار جریان مولکولی در نانوچنبره ها با رفتار جریان مولکولی در نانولوله ها متفاوت باشد. هدف این پژوهش مطالعه دینامیک جریان نفوذی مولکول های آب, در نانوچنبره های حاصل از نانولوله کربنی زیگزاگ با شعاع های معین می باشد. در اولین بخش، هندسه انواع مختلف نانوچنبره های کربنی با استفاده از تبدیلات ریاضی برروی مختصات اتم های نانولوله مادر تولید شد. به این منظور، از یک ضریب فشردگی- کشیدگی استفاده می شود تا هنگام تبدیل نانولوله به نانوچنبره، بخش های درونی و بیرونی دو سر نانولوله کاملاً بر هم منطبق شوند. سپس در مرحله بعدی, با استفاده از روش دینامیک مولکولی آسوده، هندسه حاصل به صورت جزئی بهینه می گردد. براساس معیار سقف ضریب کشیدگی برای نانوچنبره های نوع زیگزاگ و با در نظر گرفتن برهمکنش های غیرپیوندی بین مولکول های آب و اتم های کربن در نانوچنبره، نانوچنبره های (0و13), (0و14) و (0و15) برای مطالعه جریان نفوذی مولکول های آب انتخاب شدند. در مرحله بعدی، تعدادی مولکول آب در ناحیه محدودی از نانوچنبره ها توزیع شد و با استفاده از میدان نیروی ترساف، محاسبات md برای شبیه سازی جریان نفوذی مولکول های آب درون نانوچنبره ها انجام شد. نتایج حاصل از شبیه سازی مولکول های آب در نانوچنبره ی (0و15) درمدت زمان ps 200 نشان می دهد مولکول های آب تمایل به برقراری پیوندهای هیدروژنی داشته و تمامی فضای فاز بخار را می پیمایند. همچنین, با افزایش دما و به دنبال آن افزایش انرژی جنبشی میزان افت وخیز در توزیع زاویه بردار گشتاور دوقطبی مولکول آب نسبت به بردار شعاعی نانوچنبره در محل اکسیژن آن مولکول, افزایش می یابد. با افزایش زمان شبیه سازی به ns 2 و انجام محاسبات شبیه سازی برروی نانوچنبره های (0و13), (0و14) و (0و15), با نزدیک شدن سامانه به نقطه تعادلی, میزان افت وخیز درmsd کاهش می یابد و در زمان های طولانی پس از تعادل رسانی, به کمترین میزان خود می رسد. ضریب نفوذ اتم های اکسیژن با استفاه از کمیت msd در این نانوچنبره ها محاسبه شد. مقدار این کمیت در راستای محورهای x و y از مرتبه cm2/s 8-10 و در راستای محور z و بردار موقعیت r, از مرتبه 11-10 می باشد.