مدل سازی نانومکانیک پلیمرهای زیستی تقویت شده توسط نانوساختارهای کربنی

در سالهای اخیر به منظور بهینه سازی خواص مکانیکی و فیزیکی مواد جهت استفاده در نانوفناوری، از نانوساختارها، و بویژه نانوساختارهای کربنی (گرافن و نانولوله کربنی) بعنوان تقویت کننده، بهره گرفته شده و تحقیقات در این زمینه در سطح جهانی بسیار مورد توجه بوده است. با توجه به اینکه بسیاری از خواص فیزیکی و مکانیکی مواد در مقیاس نانو تابعی از اندازه آنان است، و همچنین نظر به اینکه برخی از خواص مواد با کوچک شدن اندازه آنها بهبود مییابد، لذا به منظور بررسی خواص مکانیکی مواد مختلف در مقیاس نانو، تحقیقات تجربی و محاسباتی بسیاری لازم میباشد. با توجه به هزینه کلان آزمایشهای تجربی و دشوار بودن مشاهده پدیدهها در مقیاس نانومتری، بررسی رفتار مواد در مقیاسهای مختلف زمانی و طولی با استفاده از روشهای مدلسازی، بسیار مقرون به صرفه می باشد. هدف این رساله، بررسی و پیش بینی خواص مکانیکی پلیمرهای زیستی تقویت شده توسط نانوساختارهای کربنی با استفاده از مدلهای چند مقیاسی، و بررسی خواص چسبندگی و مکانیکی پلیمرهای زیستی بر روی سطوح سرامیکی و گرافن در مقیاس اتمی می باشد. برای این منظور، ابتدا، خواص مکانیکی مواد آمورف (پلیمرها و کامپوزییت ها) در رژیم های طولی مختلف ، با استفاده از یک مدل چند مقیاسی بررسی می شوند. با بهره گیری از این مدل، خواص مکانیکی پلیمر زیستی کیتوسان و کیتوسان تقویت شده توسط نانولولهکربنی و گرافن مورد تحقیق قرار میگیرند. همچنین با ضابطه مند کردن نانو ساختارهای کربنی توسط اتمهای هیدروژن، اثر اتمهای هیدروژن برروی خواص مکانیکی کامپوزیتها بررسی می شود. همچنین نشان داده می شود که مدول کششی، وابسته به مقدار پوشش هیدروژن بر نانوساختارها در کامپوزیتها داشته، بطوریکه با افزایش پوشش هیدروژنی نانوساختارها، و تغییر شکل آنها، مدول کششی کاهش می یابد، و تغییر شکل نانوساختارها نقش مهمی را در خواص مکانیکی کامپوزیت ها بازی می کند. در ادامه، با استفاده از یک روش دینامیک مولکولی، خواص چسبندگی پروتئین کولاژن بر روی سطوح صاف و زبر سرامیک های دی اکسید تیتانیم (tio2) و آلومینا (?-al2o3) مورد مطالعه قرار می گیرد. در این پژوهش، سطوح زبر با استفاده از روش فرکتالی،که یک روش مناسب برای توصیف نانوساختارهای زبر می باشد، تولید می گردد. نتایج بدست آمده نشان میدهند که چسبندگی دیاکسید تیتانیم نسبت به آلومینا بیشتر است، همچنین با افزایش زبری سطوح (کاهش نماد هرست) انرژی چسبندگی بیشتر می شود، بطوریکه سطح زبر tio2 با کمترین نماد هرست، بهترین سطح، از نظر چسبندگی با کولاژن می باشد. این اطلاعات میتواند در ساختن ایمپلنتهای استخوانی با چسبندگی بهینه که مورد نظر نانو فناوری پزشکی میباشند، مفید واقع شوند. در نهایت، دو مسئله دیگر مورد بررسی قرار گرفته اند. در مسئله اول، به منظور مطالعه خواص مکانیکی پروتئین کولاژن حاوی گرافن، تست کشش گرافن از داخل فیبرهای کولاژن، با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی انجام گرفته است. نتایج بیان می کنند که برای گرافن موجی با نرخ سرعت کشش بالاتر، انکسار و پارگی ایجاد شده محسوس تر بوده، و با افزایش ارتفاع امواج بر روی صفحه گرافن، نیروی بین سطحی افزایش می یابد. همچنین با افزایش دما تا یک مقدار بحرانی، نیروی کششی افزایش یافته و بالاتر از این دمای بحرانی، تقریبا مستقل از دما میباشد. در مسئله دوم، اثر جذب سطحی مولکول های هیدروژن بر مورفولوژی گرافن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که مولکول های هیدروژن باعث موج دار شدن گرافن می شوند. با افزایش درصد حجمی پوشش هیدروژن تا یک مقدار بحرانی، برروی گرافن، دامنه موج گرافن نیز افزایش مییابد. با افزایش پوشش هیدروژنی بالاتر از این مقدار بحرانی، ارتفاع امواج کاهشی میشوند. این نتایج پیشنهاد میدهند که در دماهای پایین، درصد پوشش مولکولهای هیدروژن میتوانند معیار مناسبی برای کاربرد آنها در نانوادوات گرافنی باشند.