1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • مدیریت بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

    به منظور ارتقا سطح علمی دانش آموزان و دانشجویان و دسترسی ساده تر افراد به منابع علمی، ستاد ویژه ت...

    به منظور ارتقا سطح علمی دانش آموزان و دانشجویان و دسترسی ساده تر افراد به منابع علمی، ستاد ویژه توسعه فناوری نانو اقدام به راه اندازی سیستم آموزشی فناوری نانو نموده است
  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمینه استاندارد سازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • بازار مجازی نانو

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • Nano Proceedings

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

    سایت کارگروه صنعت و بازار به منظور برقراری ارتباط بی واسطه بین فعالان صنعتی در حوزه های مختلف و س...

    سایت کارگروه صنعت و بازار به منظور برقراری ارتباط بی واسطه بین فعالان صنعتی در حوزه های مختلف و ستاد ویژه توسعه فناوری نانو راه اندازی شده است. این سایت علاوه بر ارائه اطلاعات، توانایی ارائه مشاوره به متقاضیان بهره گیری از فناوری نانو را نیز داراست.
  • مرکز بین المللی یونیدو

  • باشگاه نانو

تکنیکهای شیمی محاسباتی در فضای نانو

موضوع : آموزش و مباني کلمات کلیدی : شیمی محاسباتی/ محدودیت ها/ قدورات تاریخ مقاله : 1384/08/16 تعداد بازدید : 5659

ین مقاله می کوشد تابرخی از تکنیکهای شیمی محاسباتی در حوزه نانو را معرفی کند و محدودیتها ومقدورات هریک را بررسی کند.

انواع مدل‌های مولکولی درشیمی محاسبات :

مدل‌های مولکولی با هدف مدلسازی ساختار مولکولی، خواص و واکنش‌پذیری، بوجود آمده‌اند.

   1.دامنة تغییرات آنها از توصیفات کیفی ساده تا دقیق، مبتنی بر نتایج کمی است.

   2.دامنة تغییرات هزینه آنها از سطح ابتدائی تا زمان محاسباتی معادل ماهها برای ابر رایانه‌های موازی شده است که مصالحة بین دامنه تغییرات هزینه و هدف مبتنی بر اهداف محاسبات است.

*            مکانیک مولکولی:

·         مبتنی بر مدل توصیفی توپ و فنر است

·       معرف بهتری برای تعادل هندسی نسبت به مدل‌های پلاستیک است.

·       قادر است تا روابط همبستگی با انرژی کرنشی را لحاظ کند.

·       محاسبات آن کم هزینه است.

·       پارامترهای تجربی فراوانی وجود دارد که می‌بایستی به دقت آزمایش و کالیبره شود.

·       این مدل به تعادل هندسی محدود شده است.

·       برهم‌کنش‌های الکترونی و ساختار الکترونی را لحاظ نمی‌کند.

·       اطلاعاتی مبنی بر «خواص» و «واکنش پذیری» نمی دهد.

·       قادر به لحاظ کردن و درک برهم‌کنش‌های ایجاد و شکست پیوندها نمی‌باشد.

*     روش‌های شبه تجربی اوربیتال مولکولی:

·        توصیفی تقریبی ازالکترون‌های والانس[1] دارد.

·        مبتنی بر حل فرم ساده شدة معادلة شرودینگر است.

·        مبتنی بر تقریبات انتگرالی با استفادة از عبارات تجربی مبتنی بر پارامترهای متنوع است.

·        توصیفات شبه کمی از ساختار الکترونی، توزیع الکترونی، ساختار مولکولی، خواص و انرژی‌های مرتبط به آن دارد.

·        از روش ساختار الکترونی abinitio"" ارزان‌تر است ولی دقیق‌تر نیست.

 Ab Initio: تئوری اوربیتال مولکولی

روش ""Ab initio مبتنی بر "معادلة شرودنیگر" است:

این معادله فقط برای اتم هیدروژن به صورت دقیق حل شده است. این روش عموماً متکی بر دو صورت زیر است:

   الف)روش "Hartree-Fock"

·        اثر هر الکترون را بر دیگر الکترون‌ها لحاظ می‌کند.

   ب) روش‌های همبسته[2] (جداگانه)

برهم‌کنش تک‌تک الکترون‌ها را لحاظ می‌کند و به همین ترتیب تعمیم می‌یابد.

روش‌ Abinito از نظر مقیاس زمان، محاسبات n3 یا n4 است که در آن n  عبارت است از عملگر بنیادی (اوربیتال‌ها)

*         روش Hartree-Fock:

این روش با استفاده از سه تقریب معادلة شرودینگر را برای "بس‌ذره‌ای"‌ها قابل حل می‌کند.

·       تقریب Born-oppenheimer که در آن الکترون‌ها مستقل از هسته عمل می‌کنند.

·       تقریب Hartree-Fock" که در آن اثر الکترون‌ها به صورت یک میدان تمام الکترون‌ها را به عنوان یک گروه در برمی‌گیرد و نه به صورت مستقل.

مقدورات تئوری اوربیتال مولکولی "Abinitio":

·        توزیع الکترونی را با استفاده از حل کامل معادلة شرودینگر، با دقت بهتری نسبت به روش‌های شبه تجربی پیش‌بینی می‌کند.

·        دارای قابلیت ارتقاء اسلوبمند جهت رسیدن به دقت بالای شیمیائی است.

·        نیاز به پارامتری کردن یا کالیبراسیون با توجه به آزمایش نمی‌باشد.

·        قابلیت توصیف ساختار، خواص، انرژی، واکنش‌پذیری مواد را داراست.

·        گران و هزینه‌بر است.

*     سطوح انرژی پتانسیل:

·        اساس سطوح انرژی پتانسیل محورشیمی محاسباتی است.

·        ساختار، انرژی، خواص، واکنش‌پذیری، طیف و دینامیک مولکول‌‌ها به سهولت بر حسب سطوح انرژی پتانسیل درک می‌شود.

·        به جز چند مورد ساده، سطوح انرژی پتانسیل از "آزمایش" بدست نمی‌آید.

·        زمینه "شیمی محاسباتی" دامنة وسیعی از روش‌ها را جهت کاوش سطوح انرژی پتانسیل، ایجاد کرده است.

·        چالش‌های "شیمی محاسباتی" در راه توسعة روش‌های با دقت بالا و کیفیت مؤثر به منظور کاوش "سطوح انرژی پتانسیل" درجهت علایق شیمیدانان است.

·        ساختار مولکولی تعادل معادل است با "کمینه" ها برروی PES

·        انرژی‌های واکنش از انرژی‌های "کمینه" یا "بیشینه" ‌ها به ازاء واکنش‌پذیرها و محصولات تعریف می‌شود.

مقالة زیر را ببینید:

http//:nano.ir/paper.php?PaperCode=242

*     اندازه‌گیری طیف‌های ارتعاشی:

·        شکل یک دره حول یک نقطة کمینه، تعیین کنندة طیف ارتعاشی است.

·        هر حالت الکترونی یک مولکول دارای یک سطح انرژی پتانسیل جداگانه است و جداسازی بین این سطوح منجر به طیف نهائی خواهد شد.

·        خواص مولکول نظیر "گشتاور دو قطبی"، "قطبش‌پذیری"، استحفاظ NMR، بستگی به پاسخ تابع انرژی به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی دارد.

و در نهایت اینکه:

*            مدل‌سازی مولکولی می‌تواند به تعدادی از سئوالات بهتر از سایر روش‌ها پاسخ دهد.

*            پایداری و واکنش‌پذیری مفاهیم دقیقی نیستند. نیازمند دانستن یک واکنش مخصوص هستیم.

مشکلات مشابهی داریم در قیاس با سایر مفاهیم مدل‌ساز نظیر:

-        رزونانس

-        الکترون‌دهی

-        قابلیت "گروه ترک کننده"

-        VSEPR[3] (دافعۀ زوج الکترون‌ها در لایة والانس)

*      مکانیک مولکولی

·        سطوح انرژی پتانسیل بر اساس پتانسیل‌های تجربی تنظیم شده با داده‌های محاسباتی و آزمایشگاهی محاسبه می‌شود.

·        ترکیبی از"کشش"، "خمش"، "پیچش" و "مؤلفه‌های غیرهمبند"

image001.gif

الف) مفهوم پیوند کششی

·        بسیاری از میدان‌های نیرو، فقط از جملات درجة دوم استفاده می‌کنند. اما انرژی برای پیوندهای تعمیم یافته بسیار طولانی است.

image002.gif

·        image003.gifپتانسیلهای "مورس" دارای بیشترین دقت هستند اما معمولاً استفاده نمی‌شوند چون گران هستند.

image004.gif

·        چند جمله‌ای درجه سوم دارای فرم مجانب ضعیفی است اما یک چند جمله‌ای درجة دوم یک تنظیم مناسبی برای اندازه پیوند خواهد بود.

image005.gif

مقدار  ro، به معنای ا ندازة پیوند در حالت تعادل نمی‌باشد. زیرا سهم هر یک از پیوندها غیرتضمین شده است.

*      مفهوم زاویة خمش پیوند:

·        معمولاً یک چند جمله‌ای درجة دوم کافی است.

image006.gif

·        برای سیستم‌های خیلی فشرده (نظیر پروپان حلقوی) یک چند جمله‌ای مرتبة بالاتر لازم است:

image007.gif

·        راه دیگر این است که انواع ویژه‌ای اتمی برای اتم‌های پیچیده استفاده شود.

*      مفهوم "پیچش" پیوندی:

·        اغلب میدان‌های نیرو از یک جملة سادة COS که در بردارندة جملة n است استفاده می‌کنند.

image008.gif

این جمع زدن تا یک جمله برای مدل‌سازی قطبش[4]، تا دو جمله برای مدل‌سازی پیوستگی[5] و تا سه جمله برای مدل‌سازی‌های وابسته با اجزاء اتم[6]

image009.gif

*      مفهوم جملات غیر تضمینی:

·        پتانسیل ""Lennard – Jones:

image010.gif

مزیت آن در سادگی محاسبات است.

*      پتانسیل"Buckingham":

image011.gif

*      مکانیک کوانتوم، "دفع نمائی"[7] را پیشنهاد می‌کند. اما محاسبات سخت‌تر است.

*      جدول‌بندی کردن image012.gif و image013.gifبرای هر اتم:

لحاظ کردن جملاتی بر پایة "محاسبات" و "هندسه" که نتیجه می‌دهد:

image014.gif

مکانیک مولکولی برای واکنش‌هائی که در آن پیوندهای می‌شکند مناسب نیست.


[1] - valence electrons

[2] -correlated Method

[3]-Valence shell Electron pair Repulsion

[4]-dipole

[5]-ConJugation

[6] - Steric

[7] - exponential repulsion