مطالعۀ رفتار نانولوله های گرافداین در محیط آبی: شبیه‌سازی دینامیک مولکولی Car–Parrinello

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسنده

استادیار، گروه علوم مهندسی، دانشگاه فنی و حرفه‌ای،تهران، ایران.

10.48301/kssa.2023.382432.2433

چکیده

نانوساختارهای گرافداین به دلیل پیش­بینی‌های محاسبات کوانتومی مبنی بر بروز خواص ویژۀ الکترونی و ساختاری قبل از سنتز این ساختارها مورد توجه بسیاری قرار گرفتند. از میان این نانوساختارهای پیش­بینی شده، نانولوله­های گرافداینی خواص ویژه­ای از خود نشان می­دهند. مطالعات محدودی در مورد این ساختارهای نو وجود دارد. در این تحقیق سعی بر این شده است  که پایداری ساختاری و رفتار نانولوله­ های گرافداینی  با کایرالیته ­های مختلف در محیط آبی شبیه سازی شود. تشکیل پیوند بین نانولوله گرافداین و مولکول آب فرآیندی گرماگیر است. در این تحقیق، شبیه‌سازی­های NVT وNPT  به منظور مطالعۀ تجمع مولکول‌های آب و رفتار آنها در دیواره­ها و داخل نانولوله‌های گرافداینی مختلف انجام شد.  علاوه برآن، اثر فشار روی سیستم آب-نانولوله بررسی شد. نتایج حاصله نشان داد که مولکول­های آب به داخل نانولوله­های با قطر کم وارد نمی‌شوند  و در دیواره­ها تجمع می­کنند و این امر ناشی از خاصیت آبگریزی نانولوله­های کربنی کوچک­تر است در حالی­که نانولوله­های بزرگ­تر این خاصیت را از خود نشان نمی­دهند. همچنین اثر مثبت فشار در دمای ثابت روی تجمع مولکول­های آب در داخل نانو لوله­های گرافداین (0و2) مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Study of the Behavior of Graphdiyne Nanotubes in an Aqueous Environment: Car-Parrinello Molecular Dynamics Simulation

نویسنده [English]

  • Fatemeh Houshmand
Assistant professor, Department of Industrial Chemistry Engineering, Technical and Vocational University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Graphdiyne nanostructures have been considered due to the predictions of quantum calculations regarding the occurrence of special electronic and structural features before the synthesis of these structures. Among these predicted nanostructures, graphdiyne nanotubes show special properties. There are limited studies on these new structures. In this research, an attempt was made to simulate the stable structure and behavior of graphdiyne nanotubes with different chirality in an aqueous environment. Bonding between graphdiyne nanotubes and water molecules is an endothermic process. In this investigation, NVT and NPT simulations were performed in order to study the accumulation of water molecules and their behavior in the walls and inside of different graphdiyne nanotubes. In addition, the effect of pressure on the water-nanotube system was investigated. The results showed that water molecules do not enter into small-diameter nanotubes and aggregate in the walls, and this is due to the hydrophobic property of smaller carbon nanotubes in contrast to the larger nanotubes. In addition, the positive effect of pressure at the constant temperature on the aggregation of water molecules inside graphdiyne nanotubes (2,0) was observed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Graphdiyne Graphdiyne Nanotube MD
  • simulation Car
  • Parinello Molecular Dynamics Simulation Quantum MD Simulation

مراجع

[1] Fischer, E. O. (1976). On the Way to Carbene and Carbyne Complexes. In F. G. A. Stone & R. West (Eds.), Advances in Organometallic Chemistry. Academic Press. https://doi .org/10.1016/S0065-3055(08)60647-4
[2] Shi, L., Rohringer, P., Suenaga, K., Niimi, Y., Kotakoski, J., Meyer, J. C., Peterlik, H., Wanko, M., Cahangirov, S., Rubio, A., Lapin, Z. J., Novotny, L., Ayala, P., & Pichler, T. (2016). Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne. Nature Materials, 15(6), 634-639. https://doi.org/10.1038/nmat4617
[3] Hirsch, A. (2010). The era of carbon allotropes. Nature Materials, 9(11), 868-871. https:// doi.org/10.1038/nmat2885
[4] Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D-E., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., & Firsov, A. A. (2004). Electric field effect in atomically thin carbon films. science, 306(5696), 666-669. https://doi.org/10.1126/science.1102896
[5] Lee, S-M., Kim, J-H., & Ahn, J-H. (2015). Graphene as a flexible electronic material: mechanical limitations by defect formation and efforts to overcome. Materials Today, 18(6), 336-344. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.01.017
[6] Baughman, R. H., Bredas, J. L., Chance, R. R., Elsenbaumer, R. L., & Shacklette, L. W. (1982). Structural basis for semiconducting and metallic polymer dopant systems. Chemical Reviews, 82(2), 209-222. https://doi.org/10.1021/cr00048a003
[7] Ivanovskii, A. L. (2013). Graphynes and graphdyines. Progress in Solid State Chemistry, 41(1), 1-19. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2012.12.001
[8] Jalili, S., Houshmand, F., & Schofield, J. (2015). Study of carrier mobility of tubular and planar graphdiyne. Applied Physics A, 119(2), 571-579. https://doi.org/10.1007/s00 339-015-8992-8
[9] Qian, X., Ning, Z., Li, Y., Liu, H., Ouyang, C., Chen, Q., & Li, Y. (2012). Construction of graphdiyne nanowires with high-conductivity and mobility. Dalton Transactions, 41(3), 730-733. https://doi.org/10.1039/C1DT11641J
[10] Luo, G., Zheng, Q., Mei, W.-N., Lu, J., & Nagase, S. (2013). Structural, Electronic, and Optical Properties of Bulk Graphdiyne. The Journal of Physical Chemistry C, 117(25), 13072-13079. https://doi.org/10.1021/jp402218k
[11] Wang, S., Yi, L., Halpert, J. E., Lai, X., Liu, Y., Cao, H., Yu, R., Wang, D., & Li, Y. (2012). A Novel and Highly Efficient Photocatalyst Based on P25–Graphdiyne Nanocomposite. Small, 8(2), 265-271. https://doi.org/10.1002/smll.201101686
[12] Qian, X., Liu, H., Huang, C., Chen, S., Zhang, L., Li, Y., Wang, J., & Li, Y. (2015). Self-catalyzed Growth of Large-Area Nanofilms of Two-Dimensional Carbon. Scientific Reports, 5(1), 7756. https://doi.org/10.1038/srep07756
[13] Li, G., Li, Y., Qian, X., Liu, H., Lin, H., Chen, N., & Li, Y. (2011). Construction of Tubular Molecule Aggregations of Graphdiyne for Highly Efficient Field Emission. The Journal of Physical Chemistry C, 115(6), 2611-2615. https://doi.org/10.1021/jp107996f
[14] Alaei, S., Jalili, S., & Erkoc, S. (2015). Study of the Influence of Transition Metal Atoms on Electronic and Magnetic Properties of Graphyne Nanotubes Using Density Functional Theory. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 23(6), 494-499. https:// doi.org/10.1080/1536383X.2013.863767
[15] Wang, X-M., & Lu, S-S. (2013). Thermoelectric Transport in Graphyne Nanotubes. The Journal of Physical Chemistry C, 117(38), 19740-19745. https://doi.org/10.1021/jp 406536e
[16] Coluci, V. R., Galvão, D. S., & Baughman, R. H. (2004). Theoretical investigation of electromechanical effects for graphyne carbon nanotubes. The Journal of Chemical Physics, 121(7), 3228-3237. https://doi.org/10.1063/1.1772756
[17] Houshmand, F., Friedman, R., Jalili, S., & Schofield, J. (2020). Exciton effect in new generation of carbon nanotubes: graphdiyne nanotubes. Journal of Molecular Modeling, 26(7), 171. https://doi.org/10.1007/s00894-020-04401-9
[18] Saito, R., Dresselhaus, G., & Dresselhaus, M. S. (1998). Physical properties of carbon nanotubes. Imperial College Press. https://doi.org/10.1142/p080
[19] Vernov, A., & Steele, W. A. (1992). The electrostatic field at a graphite surface and its effect on molecule-solid interactions. Langmuir, 8(1), 155-159. https://doi.org/10.1021/la 00037a029
فصلنامه علمی کارافن
دوره 20، شماره 3
فنی و مهندسی
آذر 1402
صفحه 683-699

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 17 اسفند 1401
  • تاریخ بازنگری: 18 اردیبهشت 1402
  • تاریخ پذیرش: 20 خرداد 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار