بررسی ساختار و خواص سطحی سیالات پیرامون نانوذرات استوانه‏ای و کروی در نانوسیالات و مطالعه پدیده وارونگی جمعیت در سیالات مخلوط محبوس‏ در نانوحفره‏های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی

این پایان‏نامه به مطالعه ساختار و خواص سطحی سیالات پیرامون نانوذرات استوانه‏ای و کروی و همچنین اثرات محدودیت بر توزیع جمعیت سیالات مخلوط محدود شده داخل نانوحفره‏های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی اختصاص یافته است. در بخش نخست این پایان‏نامه ساختار سیالات اطراف نانوذره استوانه‏ای به عنوان مدلی از ساختار نانولایه‏ها پیرامون نانوذرات در نانوسیالات با درنظر گرفتن نقش دو عامل آنتروپی و انرژی مورد مطالعه قرار گرفته است. با بررسی ساختار سیالات اطراف نواحی مختلف یک نانوذره استوانه‏ای می‏توان تأثیر انحنای دیواره بر ساختار نانولایه‏ها را مورد ارزیابی قرار داد. نتایج نشان می‏دهند که در نبود هرگونه برهم‏کنش جاذبه سیال-سیال، چگونگی تأثیر انحنای دیواره نانوذره بر ساختار سیال کره سخت پیرامون آن به وسیله عامل آنتروپی تعیین می‏گردد. از این رو تمایل مولکول‏های کره سخت برای تجمع در همسایگی دیواره نانوذره با افزایش انحنای آن کاهش می‏یابد به گونه‏ای که چگالی در نقاط برخورد با دیواره‏ تخت نانوذره بیشینه و درگوشه‏های نانوذره کمینه است. نتایج نشان می‏دهد که عامل انرژی ناشی از نادیده گرفته شدن سهمی از برهم‏کنش‏های جاذبه بین‏مولکولی برای سیالات دارای برهم‏کنش‏های بلندبرد، می‏تواند ساختار سیالات پیرامون مناطق مختلف نانوذره را دستخوش تغییرات اساسی کند. درحقیقت ساختار سیالات دارای برهم‏کنش‏های بلندبرد پیرامون نواحی مختلف یک نانوذره استوانه‏ای از رقابت دو عامل انرژی و آنتروپی تعیین می‏گردد. محاسبات نشان می‏دهند که هنگامی که برهم‏کنش‏های جاذبه بین‏مولکول های سیال بسیار قوی است، تمایل مولکول‏ها برای تجمع در همسایگی دیواره با افزایش انحنای دیواره بیشتر شده تا جایی که احتمال حضور مولکول‏ها در مناطق گوشه‏ای به مقدار بیشینه خود می‏رسد. گفتنی است که در این سامانه‏ها غلبه اثرات انرژی بر آنتروپی می‏تواند به پدیده تهی‏شدگی بر روی دیواره‏های تخت و محدب نانوذره استوانه‏ای منجر گردد. در بخش دیگری از این پایان‏نامه تأثیر نوع برهم‏کنش‏های سیال-سیال و سیال- نانوذره بر تغییرات کیفی کشش سطح مشترک سیالات پیرامون نانوذرات کروی با پارامترهای مختلفی همچون اندازه نانوذره، چگالی و دما مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف اصلی این بخش تفسیر روند تغییرات کشش سطح مشترک با پارامترهای یادشده با درنظرگرفتن رقابت بین دوعامل تعیین‏کننده مقدار این کمیت می‏باشد. نتایج محاسبات نشان می‏دهند که علامت و رفتار کیفی کشش سطح مشترک به نوع برهم‏کنش‏های سیال-نانوذره وابسته است. کشش‏ سطح مشترک سیالات درتماس با نانوذرات کروی سخت همواره دارای یک مقدار مثبت بوده و با افزایش اندازه نانوذره کاهش می‏یابد. اما رفتار کیفی کشش سطح مشترک برای سیالات پیرامون نانوذرات کروی جاذب متفاوت است. درحقیقت کشش سطح مشترک در این سامانه‏ها هریک از مقادیر مثبت، منفی یا صفر را اختیار کرده و بسته به قدرت برهم‏کنش‏های جاذبه سیال-نانوذره و حالت ترمودینامیکی سامانه می‏تواند دارای روند افزایشی یا کاهش با اندازه نانوذره باشد. همچنین بررسی‏های انجام شده از وجود یک قاعده‏بندی خطی بین کشش سطح مشترک و جذب افزوده سیالات پیرامون نانوذرات کروی حکایت دارد که برای انواع برهم‏کنش‏های سیال-سیال و سیال- نانوذره صادق است. درنهایت دراین پایان‏نامه اثرات محدودیت بر وارونگی جمعیت مخلوط‏های دوتایی سیالات لنارد-جونز مایع و گازی محبوس‏شده داخل نانوحفره‏های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی مورد مطالعه قرار گرفته است. این قبیل بررسی ها به دلیل کاربرد ویژه سامانه‏های محدود شده در فرآیندهای جداسازی و خالص‏سازی بسیار دارای اهمیت هستند. مطالعه سیالات لنارد-جونز مایع نشان می‏دهد که اثرات انرژی و آنتروپی می‏توانند با جذب ترجیحی گونه دوم با غلظت بسیار کم در سیال توده به پدیده وارونگی جمعیت در این سامانه ها منجر ‏گردند. درحقیقت جذب گونه دوم با برهم‏کنش‏های بین‏مولکولی ضعیف‏تر و اندازه بزرگ‏تر نسبت به گونه اول از دیدگاه انرژی و آنتروپی مطلوب‏تر است. بنابراین کاهش دادن پارامترهایی از قبیل قدرت برهم‏کنش‏های بین‏مولکولی گونه دوم، دما و اندازه نانوحفره به واسطه عامل انرژی با جذب انتخابی گونه دوم همراه است. نتایج محاسبات نشان می‏دهد که وارونگی جمعیت سیالات در سامانه‏های یادشده با روی دادن پدیده تراکم که شامل جذب و واجذب همزمان گونه‏های 1 و 2 است خاتمه می‏یابد. مطالعه سیالات لنارد-جونز گازی در این پایان نامه حاکی از آن است که با تغییر عواملی همچون نسبت قدرت برهم‏کنش‏های بین‏مولکولی دو گونه ، دما و اندازه نانوحفره می‏توان به شرایطی دست یافت که تراکم مویینگی، وارونگی در توزیع جمعیت سیالات محبوس‏شده را به همراه دارد. در این شرایط فازهای مایع مانند داخل نانوحفره از گونه دوم با غلظت کمتر در سیال توده و برهم کنش‏های بین مولکولی قوی‏تر غنی‏تر هستند