مطالعه رفتار جريان آب در مجاورت نانولوله هاي كربن با تكيه بر كاربرد در غشاء

دكتري

نرخ جريان آب در نانولوله‌ كربن چندين مرتبه بيش از مقدار پيش‌بيني شده نظري مي‌باشد. اين ويژگي باعث شده است نانولوله‌هاي كربن داراي پتانسيل ويژه‌اي براي كاربرد در غشاي نمك‌زدايي باشند. مطالعه رفتار آب در مجاورت اين نانوساختارها در پيش‌بيني عملكرد و طراحي غشاء اهميت دارد. از آنجا كه غالب پديده‌هاي تعريف كننده رفتار يك غشاء نمك‌زدايي، در مقياس نانومتر رخ مي‌دهند؛ مطالعه اين پديده‌ها بايد در ابعاد مولكولي انجام گيرد. در غياب روش‌هاي تجربي، روش ديناميك مولكولي به‌عنوان بهترين گزينه مطرح است. در كنار مطالعه رفتار مولكول‌هاي آب در مقياس نانو، آنچه كمتر در اين روش مد نظر بوده است، ايجاد يك مدل عددي و واقع‌بينانه براي مقايسه با نتايج تجربي است. هدف نهايي اين پژوهش، ايجاد ارتباط بين داده‌هاي نظري خروجي ديناميك مولكولي و داده‌هاي آزمايشگاهي از نرخ جريان آب مي‌باشد. در اين راه، ابتدا جريان آرگون در نانولوله كربن با استفاده از پتانسيل لنارد-جونز مطالعه شد. نرخ جريان آرگون با افزايش قطر نانولوله به‌صورت يكنوا افزايش پيدا نمي‌كند. علت اين پديده، تغييرات غيرقابل پيش‌بيني فاصله اتم آرگون با ديواره كربني در نانولوله‌هايي با قطر بسيار كم است. تغييرشكل نانولوله كربن به‌عنوان يكي از تفاوت‌هاي مطالعه نظري و آزمايش تجربي مورد نظر قرار گرفت. براي مدل‌سازي تغييرشكل از پتانسيل Tersoff استفاده شد. ميدان نيروي TIP3P براي مدل‌سازي جريان آب مورد استفاده قرار گرفت. رفتار نرخ جريان با ميزان و چگونگي تغييرشكل نانولوله كربن مطالعه شد. پارامترهاي پتانسيل‌هاي آرگون و آب توسط تابع توزيع چگالي شعاعي صحت‌سنجي شدند. نشان داده شد كه حضور يون‌هاي محلول در آب، تأثير قابل ملاحظه‌اي بر نرخ جريان آن ندارد. با شناخت تابعيت نرخ جريان آب از قطر، طول، اختلاف فشار، خميدگي و خروج از مركز نانولوله كربن، تصوير كامل غشاء شكل گرفت. نرخ جريان كل غشاء با نرخ جريان اندازه‌گيري شده تجربي مقايسه شد. اختلاف حدود 6 درصدي نشان داده مي‌دهد همسويي مناسبي بين اين دو وجود دارد. با استفاده از تحليل انتشار عدم قطعيت، ميزان عدم قطعيت موجود در نرخ جريان محاسبه شده با ديناميك مولكولي برابر با 46 درصد بدست آمد.

210143

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مكانيك

دكتر حجت قاسمي