شبیه سازی دینامیک مولکولی جذب گاز بر روی صفحه گرافن

گرافین یکی از گونه های اتم کربن است که در سال های اخیر توجه پژوهشگران زیادی را در سراسر دنیا به خود جلب کرده است. گرافین بلوری دوبعدی به ضخامت یک اتم کربن است و در آن اتم های کربن در یک شبکه لانه زنبوری شش-گوشی به سختی با همدیگر پیوند دارند. ویژگی های چند منظوره گرافین تاکنون از رشد تصاعدی برخوردار بوده اند و باعث شده اند که این ماده به عنوان نامزدی مناسب برای محدوده وسیعی از کاربردها در علوم و فناوری نانو معرفی شود. یکی از کاربرد های جدیدی که برای این ماده ارائه شده، استفاده از آن برای ساخت حسگر های گازی بسیار حساس است. به نظر می رسد ساختار دوبعدی و ویژگی های یکتای دیگر گرافین، باعث شده تا این ماده توانایی تبدیل شدن به یک حسگر گازی بسیار حساس که قادر به شناسایی حتی یک اتم هست، را داشته باشد. با توجه به اینکه گرافین های ساخته شده در آزمایشگاه معمولاَ دارای نقص هستند، به همین دلیل لازم است علاوه برگرافین کامل، گرافین نقص دار هم برای بررسی ویژگی حسگری مورد بررسی قرار گیرد. در این پایان نامه جذب گاز زنون روی گرافین کامل و هم چنین روی گرافین نقص دار مورد بررسی قرار گرفته است. زنون یکی از عنصر های خانواده گاز های بی اثر است که در صنعت خودروسازی، ساخت لامپ های درخشنده دوربین های عکاسی، ساخت لیزر و به عنوان داروی بی هوشی کاربرد دارد. روشی که در این پایان نامه برای بررسی جذب گاز روی گرافین مورد استفاده قرار گرفته، روش شبیه سازی دینامیک مولکولی است. این روش به عنوان پلی بین روش های نظری و تجربی در نظر گرفته می شود و برای مطالعه ی ویژگی های وابسته به زمان دستگاهی از اتم های یا مولکول ها به کار می رود. مهم ترین بخش هر شبیه سازی دینامیک مولکولی انتخاب پتانسیل مناسب برای بر هم کنش بین ذره ها است. به طور کلی نتیجه ی شبیه سازی وابسته به این انتخاب است. در این پایان نامه برای برهم کنش اتم های کربن-کربن از پتانسیل نوع اول برنر و برای برهم کنش اتم های زنون-زنون و کربن-زنون از پتانسیل دو ذره ای لنارد-جونز استفاده شده است. در نهایت با انجام شبیه سازی و محاسبه ی کمیت ها، فرآیند جذب مشابهی برای دستگاه گرافین کامل و گاز و هم چنین گرافین نقص دار و گاز مشاهده شده است. با محاسبه ی پوشش روی صفحه گرافین کامل و نقص دار، مشخص شد که اتم های گاز زنون از بیشینه جایگاه های جذب روی صفحه استفاده می کنند و به همین دلیل صفحه گرافین کامل و نقص دار می توانند نامزد بسیار مناسبی برای جذب گاز زنون باشند. هم چنین با محاسبه ی مقدار انرژی بستگی برای جذب گاز روی صفحه گرافین کامل و نقص دار و مقایسه آن با محدوده انرژی بستگی تعریف شده برای جذب فیزیکی و شیمیایی، مشخص شد که فرآیند جذب در هر دو صفحه، فرآیند جذب فیزیکی است و اتم های زنون با اتم های کربن پیوند ضعیفی برقرار می کنند. گرمای جذب و ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت کمیت های دیگری هستند که در این شبیه سازی محاسبه شده اند.