مطالعه شبیه سازی دینامیک ملکولی کاربیدهای لیتیم و بریلیم

چکیده ترکیب یک فلز و یا یک شبه فلز با کربن، کاربید نامیده می شود. مطالعه کاربیدهای فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی، به علت واکنش پذیری بالا و ناپایداری گرمایی این ترکیب ها در شرایط محیطی، از نظر آزمایشگاهی با مشکل هایی همراه است. از طرف دیگر, اخیراً سنتز نانوساختارهای کربنی و ترکیب های گوناگون آلی با استفاده از بنیان c22- مورد توجه قرار گرفته است. نتیجه های آزمایشگاهی نشان می دهند که از واکنش کاربید لیتیم با گاز کلر، نانولوله های کربنی تولید می شود. این کاربرد به دلیل فراوانی کاربیدها در طبیعت و واکنش پذیری بالای آنها اهمیت زیادی دارد. از این رو، آگاهی از کلیه ویژگی های شیمیایی و فیزیکی کاربیدها برای طراحی بهینه واکنش ها و ارزیابی میزان موفقیت یک مسیر سنتزی پیشنهادی ضروری به نظر می رسد. هدف این پژوهش، مطالعه ساختار و ویژگی های پیوندی شبکه بلوری کاربیدهای لیتیم و بریلیم (li2c2 و bec2) با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی است. در اولین بخش، جزئیات بهینه سازی میدان نیرو و نتیجه های ناشی از مطالعه شبیه سازی دینامیک ملکولی نانوبلورهای li2c2 و رفتار انبوهه ای این بلور ارائه خواهد شد. در بخش دوم, شبیه سازی دینامیک ملکولی نانوبلور کاربید بریلیم جهت بهینه سازی میدان نیروی این شبکه مورد مطالعه قرار می گیرد. نتایج این پژوهش, مبنایی برای مطالعه محاسباتی و شبیه سازی تولید نانولوله های کربنی بر اساس واکنش کاربید لیتیم با گاز کلر خواهدبود. شبیه سازی های دینامیک ملکولی مقدماتی انجام شده بر روی نانوبلورهای کاربید لیتیم نشان دادند که میدان نیرویی با اجزاء پتانسیل کولنی, پیوندی و پتانسیل های وان دروالس لنارد- جونز برای برهم کنش کربن- کربن غیر پیوندی و مورس برای برهم کنش کربن- لیتیم غیر پیوندی, نانوبلورهای پایداری ایجاد می کند. این شبیه سازی ها, منطق بکارگرفته شده برای تخمین مولفه های میدان نیرو و مقادیر عددی پارامترهای آن (به?ویژه پارامترهای پتانسیل وان دروالس) را تأیید می کنند. در راهبرد بهینه سازی این میدان نیروی اولیه, نیروهای کولنی و وان دروالس از طریق بررسی میانگین مربعات جابجایی اتم ها در دماهای مختلف بهینه شدند. شبیه سازی های انجام شده بر روی نانوبلور کاربید لیتیم با استفاده از میدان نیروی بهینه شده نشان می دهند که اتم های سطح نانوبلور نسبت به اتم های عمق حرکت پردامنه ای داشته و ناپایدارند. رفتار این اتم ها به اندازه نانوبلور وابسته است و برای یک نانوبلور با اندازه ابعاد معین, با افزایش دما رفتار دمایی یون های مثبت و منفی در هر یک از جهت های x, y و z همبسته است. همچنین, نتیجه های ناشی از شبیه سازی کاربید لیتیم انبوهه ای نشان می دهند که با افزایش دما نمی توان انتقال فاز مشاهده شده آزمایشگاهی را رصد کرد. بر اساس شبیه سازی های دینامیک ملکولی انجام شده بر روی نانوبلور کاربید بریلیم, میدان نیرویی با اجزاء پتانسیل کولنی, پیوندی, زاویه پیوندی و وان دروالس منجر به نانوبلورهای پایداری می شود. نتایج این شبیه سازی ها نشان دادند که برای ثابت ماندن فاصله بین اتم های کربن با اولین و دومین همسایگان بریلیمی آنها, ضروری است که پتانسیل پیوندی بین اتم های کربن و اولین و دومین همسایگان بریلیمی آنها برقرار شود. همچنین, پتانسیل زاویه پیوندی در جلوگیری از خم شدگی رشته های عمودی و تثبیت موقعیت نسبی رشته ها نسبت به یکدیگر نقش مهمی دارد. مقادیر عددی پارامترهای این میدان نیرو ابتدا بر اساس استدلال های فیزیکی تخمین زده شدند و سپس با انجام شبیه سازی هایی در مقادیر متفاوت این پارامترها, اثر تغییر آنها بر روی رفتار اتم های شبکه با استفاده از کمیت msd مطالعه شد. شبیه سازی های دینامیک ملکولی نانوبلورهای کاربیدهای لیتیم و بریلیم و کاربید لیتیم انبوهه ای در مجموعه با تعداد گام زمانی 105×2 و اندازه گام زمانی 1/0 فمتوثانیه انجام شده است. برای ثابت نگه داشتن دما از دماپای برندسن استفاده شده است. در نانوبلورها, شعاع برش برابر با اندازه قطر جعبه شبیه سازی درنظر گرفته شده است و برهم کنش های الکتروستاتیک با استفاده از جمع کولنی همراه با ثابت دی الکتریک وابسته به فاصله محاسبه شده اند. در کاربید لیتیم انبوهه ای, این برهم کنش ها با استفاده از جمع اوالد با شعاع برش 10 آنگستروم که کوچکتر از نصف کوچکترین بعد جعبه شبیه سازی کاربید لیتیم انبوهه ای است, محاسبه شد ه اند. کلمات کلیدی کاربید لیتیم, کاربید بریلیم, شبیه سازی دینامیک مولکولی, میدان نیرو.