مدلسازی مولکولی و نانوتکنولوژی

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: در سازمان .دهی و دستکاری مواد در مقیاس نانو ، لازم است تمامی ابزار موجود جهت افزایش کارایی مواد و وسایل بکار گرفته شود. یکی از این ابزار ، شیمی تحلیلی ، خصوصا مدل .سازی مولکولی و شبیه .سازی است. امروزه ابزار تحقیقاتی فراگیری مانند روشهای شیمی تحلیلی مزیتهای فراوانی نسبت به روشهای تجربی دارند. میهیل یورکاز شرکتContinental Tire North America می.گوید:"روشهای تجربی مستلزم بهره.گیری از نیروی انسانی ، شیمیایی ، تجهیزات ، انرژی و زمان است. شیمی تحلیلی این امکان را برای هر فرد مهیا می.سازد که فعالیتهای شیمیایی چندگانه.ای را در 24 ساعت شبانه .روز انجام دهد. شیمیدانها می.توانند با انجام آزمایشها توسط رایانه .، احتمال فعالیتهای غیرمؤثر را از بین ببرند و گستره احتمالی موفقیتهای آزمایشگاهی را وسعت دهند.

نتیجه نهایی این امر ، کاهش اساسی در هزینه.های آزمایشگاهی (مانند مواد ، انرژی ، تجهیزات) و زمان است." از طرف دیگر ، در شیمی تحلیلی سرمایه. گذاری اولیه جهت تهیه نرم.افزار و هزینه.های وابسته از جمله سخت.افزار جدید ، آموزش و تغییرات پرسنل بسیار بالا خواهد بود. ولی با بکار گیری هوشمندانه این ابزار می.توان هریک از هزینه.های اولیه را نه تنها از طریق صرفه.جویی در هزینه آزمایشگاه بلکه بوسیله فراهم نمودن دانشی که منجر به بهینه .سازی فرآیندها و عملکردها می.شود، جبران ساخت.

این موضوع برای شیمیدانها بسیار مناسب است، ولی روشهای شبیه.سازی چطور می.توانند برای نانوتکنولوژیستها مفید واقع شود؟ محدودیتهای آزمایشگر در مقیاس نانو ، زمانی آشکار می.شود که شگفتی جهان دانشمندان نظری وارد عمل می.شود. در اینجا هنگامی که دانشمندان قصد قرار دادن هر یک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانین کوانتوم وارد صحنه می.شود. پیش.بینی رفتار و خواص در محدوده.ای از ابعاد برای نانوتکنولوژیستها حیاتی است.

مدل.سازی رایانه.ای با بکارگیری قوانین اولیه مکانیک کوانتوم و یا شبیه.سازیهای مقیاس میانی ، دانشمندان را به مشاهده و پیش.بینی رفتار در مقیاس نانو و یا حدود آن قادر می.سازد. مدلهای مقیاس میانی با بکارگیری واحدهای اصلی بزرگتر از مدلهای مولکولی که نیازمند جزئیات اتمی است، به ارائه خواص جامدات ، مایعات و گازها می.پردازند. روشهای مقیاس میانی در مقیاسهای طولی و زمانی بزرگتری نسبت به شبیه.سازی مولکولی عمل می.کنند. می.توان این روشها را برای مطالعه مایعات پیچیده ، مخلوطهای پلیمر و مواد ساخته.شده در مقیاس نانو و میکرو بکار برد.

مدل .سازی خاک. رس

محققین دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبیه.سازیهایی بر اساس مکانیک کوانتوم برای مطالعه و کامپوزیتهای خاک .رس–پلیمر بکار برده.اند. امروزه این ترکیبات یکی از موفق.ترین مواد نانوتکنولوژی هستند، زیرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکل.پذیری از خود نشان می.دهند؛ خواصی که معمولاً در یکجا جمع نمی.شوند. نانو کامپوزیتهای پلیمر–خاک رس می.توانند با پلیمریزاسیون در جا تهیه شوند؛ فرآیندی که شامل مخلوط کردن مکانیکی خاک معدنی با مونومر مورد نیاز است. بنابراین مونومر در لایه درونی جای.گذاری می.شود (خودش را در لایه.های درون ورقه.های سفال جای می.دهد) و تورق کل ساختار را افزایش می.دهد. پلیمریزاسیون ادامه می.یابد تا سبب پیدایش مواد پلیمری خطی و همبسته گردد.

دانشمندان با بکارگیری Castep (یک برنامه مکانیک کوانتوم که نظریه کارکردی چگالی را بکار می.گیرد) تحول کشف شده در این روش را که پلیمریزاسیون میان .گذار خود کاتالیست نامیده می.شود مطالعه کردند. این پروژه ، دانشی نظری در زمینه ساز و کار این فرآیند جدید را بوسیله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزیت فراهم نمود. ضروری است که دانش حاصل از شبیه.سازیها ، جهت کنترل و مهندسی نمودن فعل و انفعالات پلیمر-سیلیکات به کمک دانشمندان آید.

دانشمندان در شرکت BASF شبیه. سازیهای مقیاس میانی را برای بررسی علم و رفتار ریزواره.ها بکاربردند. ریزواره.ها ذراتی کروی شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهای کوپلیمری ایجاد می.شوند و در زمینه.هایی مانند سنسورها وسایل آرایشی و دارو رسانی کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گیری esoDyn ، یک ابزار شبیه .سازی برای پیش.بینی ساختارهای مقیاس میانی مواد متراکم محلولهای تغلیظ .شده کوپلیمرهای آمفی.فیلیک را بررسی کردند.

شبیه.سازیها مشخص نمود که کدام شرایط مولکولی و فرمولی به شکل.گیری "ریزواره.های معکوس" مانند نانو ذرات آب در یک محیط فعال منتهی. می.شود. چنین نتایجی برای درک رفتار عوامل فعال سطحی ضروری هستند. به کمک روشهایی مانند پرتاب محلول در آزمایشگاه می.توان به نتایجی در این زمینه دست یافت، اما دستیابی به این نتایج ماهها به طول می.انجامد، درحالی که آزمایشهای شبیه.سازی شده تنها طی چند روز نتیجه می.دهند.

محدودیتهای این روشها چیست؟

در حالیکه امروزه ابزار مدلسازی در سطح کوانتومی و مقیاس میانی به خوبی توسعه یافته.اند، همچنان محدودیتهایی در این عرصه وجود دارد. برای مثال کاربردهایی در زمینه وسایل الکترونیک مستلزم انجام محاسبات مکانیک کوانتوم برای تعداد اتمهایی بیش از روشهای حاضر می.باشد که بیش از توان عملیاتی منابع محاسبه.گر فعلی است. همچنین مدلسازی کل وسایل امکان.پذیر نیست، بویژه عملکردها و خواص آنها.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 335]