بررسی تاثیر تنش بر نانولوله های کربنی تک دیواره با استفاده از تکنیک شبیه سازی دینامیک مولکولی کلاسیک (md) موضوع بحث این کار پژوهشی است. پتانسیل برهم کنشی بین اتم های کربن پتانسیل چند جسمی ترسف انتخاب شده و محاسبات در آنسامبل npt انجام شده است. در این پژوهش از روش فشار_ثابت برای سیستم های محدود بهره جسته ایم. دمای سیستم با مقیاس بندی سرعت و فشار به روش برندسن کنترل می شوند. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که با اعمال تنش کششی به نانولوله همچنین با ایجاد حفره در آن نقطه ذوب کاهش پیدا میکند. نتایج به دست آمده توافق خوبی با داده های تجربی قابل دسترس دارند.

چکیده با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک ملکولی (md) متکی بر پتانسیلهای پیشرفته بس ذره ای بین اتمی دو نوع مطالعه در این پایان نامه انجام شده اند. در مطالعه نخست، اشاعه ترک در یک صفحه دو بعدی (2d) فلزی در مقیاس نانو، که از زبری کاتوره ای برخوردار است، را مدل سازی نمودیم. در مطالعه دوم، بر نشانی خوشه های نانوسکوپیک فلزی بر روی سطوح دو بعدی زبر کاتوره ای را بررسی کرده ایم. در هر دو مدل سازی عددی، سطح زبر کاتوره ای با استفاده از روش متکی برنظریه فرکتال، که تحت عنوان روش حرکت برانی فرکتالی (fbm) شناخته شده است، تولید می شود. در مدل سازی اشاعه ترک نشان داده ایم که افت و خیزها در سرعت ترک، که به پدیده انشقاق ترک منجر می شوندو در سطوح تخت نیز مشاهده شده اند، در طی انتشار ترک در سطح زبر هم مشاهده می شوندو با افزایش درجه زبری سطح، مشاهده این پدیده کمتر چشمگیر می باشد، و نوع دیگری از افت و خیزها ی سرعت خود را همسو با زبری سطح نمایان می سازند. افزون بر این، دیده می شود که همان طور که زبری سطح افزایش می یابد، تنش بحرانی جهت آغاز اشاعه (حرکت) ترک از حالت ایستا نیز افزایش پیدا می کند، و افت و خیزها در سرعت ترک زودتر ظاهر می شوند. در مدل سازی بر نشانی خوشه های اتمی بر سطوح زبر، روند بر نشانی با انرژی های برنشانی متفاوت اولیه، برای سطوح با زبری های کاتوره ای گوناگون، و اندازه های متفاوت خوشه ها مطالعه شد. نتایج با برنشانی همان نوع خوشه ها بر روی سطوح تخت مقایسه شدند. در این مطالعه مشاهده می کنیم که برای همه اندازه های خوشه ها، چه کوچک و چه بزرگ، در انرژی های رهایش پایین، شکل خوشه برنشانده شده برای همه نمادها( اندیس ها)ی زبری، اساسا همان شکل اولیه این خوشه است، ولی در انرژی های بالاتر شکل خوشه بر نشانده شده با تغییر اندیس زبری تغییر می کند. مثلا در مورد خوشه کوچکتر در انرژی های رهایش یکسان همان طور که زبری زیر پایه کاهش پیدا می کند یک اثر لایه بندی ستونی را می توان مشاهده کرد، و در مورد خوشه بزرگتر برای مقادیر انرژی بالاتر توپوگرافی سازمان یافته خوشه، از یک نوع نیم کروی، مشاهده شده و برای انرژی های پایین، برای همه مقادیر زبری، حتی برای یک هندسه تخت، کم رنگ تر می شود و به جز برای زیر پایه کاملا تخت ساختار ستونی منظمی بر روی سطح زبر دیده نمی شود. به طور کلی می توان گفت که باز آرایی ساختاری مهمی از اتم های خوشه ها بدلیل جذب بر روی زیر پایه وجود دارد و زبری سطح نقش مهمی را در این تغییر شکل بازی می کند.

امروزه بررسی اثرات متقابل جامد و سیال در ابعاد میکرو و نانو در زمینه های گوناگون مهندسی مورد توجه محققان می باشد. در تحقِق حاضر به توسعه مدل های مورد استفاده برای مطالعه این اثرات در دو حوزه مختلف پرداخته شده است. در ابتدا، عبور جریان سیال درون نانولوله کربنی و اثر آن بر ناپایداری ساختار نانولوله مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، حرکت گونه های یونی مختلف درون سیال و جامد در محیط متخلخل باتری لیتیم یونی و اثرات آن بر عمر باتری مورد ارزیابی قرار گرفته است. در قسمت اول، مدل استاندارد پوسته غیرخطی دانل برای بیان رفتار ساختار جامد در اثر عبور جریان سیال در ابعاد نانو توسعه داده شده است. در اینجا سرعت بالای توده سیال از طریق نیروهای اینرسی باعث تقویت نیروهای جانب مرکز و کریولیس و از طریق لزجت باعث تغییر نیروی فشار ایستایی درون لوله و نیز ایجاد نیروی عکس العمل محوری در تکیه گاهها می شود. با توجه به تاثیر قابل ملاحظه لایه کم تراکم نزدیک دیواره نانولوله کربنی بر لزجت سیال، برای اولین بار روابط حاکم بر سیال به منظور درنظرگرفتن این اثر اصلاح شده است. همچنین به دلیل اهمیت اثرات غیرموضعی در مقیاس کوچک، معادلات بیان کننده رفتار جامد برای در نظر گرفتن این اثرات تعمیم یافته اند. برای بررسی اثر بستر ارتجاعی بر پایداری نانولوله نیز از مدل وینکلر استفاده گردیده است. بر خلاف مدل خطی دانل، مدل غیرخطی حاضر ناپایداری نانولوله در اثر حرکت سیال را به ویژه برای نانولوله های با نسبت طول به قطر بزرگتر، در سرعت های بسیار کمتر پیش بینی می کند. همچنین مدل حاضر پیش بینی می کند با افزایش نسبت طول به قطر، سرعت های بحرانی به سمت مقادیر ثابتی میل می کنند و از نسبت طول به قطر مستقل می گردند. نتایج بررسی اثرات لزجت نشان می دهد در جریان آب درون نانولوله کربنی، وجود لایه کم تراکم با کاستن از مقدار لزجت نزدیک دیواره، باعث تضعیف اثرات آن می شود. با کوچک شدن شعاع نانولوله بخش بیشتری از جریان در ناحیه کم تراکم قرار گرفته و لذا جریان سیال بیشتر تحت تاثیر این لایه قرار می گیرد. در شعاعnm 20، با وجود لایه کم تراکم، لزجت همچنان تاثیر قابل ملاحظه ای بر افزایش فشار درون نانولوله و افزایش پایداری ساختار نانولوله دارد. اما در شعاع nm 5/3، لایه کم تراکم تقریباً اثرات لزجت را حذف می کند. مقایسه نتایج بررسی اثرات غیرموضعی نشان می دهد که اهمیت این اثرات با کاهش شعاع نانولوله افزایش می یابد و رفتار آنها در جهت تسریع ناپایداری در نانولوله می باشد. همچنین تاثیر بستر ارتجاعی به کمک مدل وینکلر نشان می دهد با افزایش ضریب وینکلر مقدار سرعت بحرانی به سمت مقادیر بیشتر حرکت می کند. در قسمت دوم برنامه dualfoil.5.1 که با بررسی چگونگی تولید و انتقال یونها و الکترون ها در سیال و جامد متخلخل، رفتار باتری لیتیم یونی را پیش بینی می کند اصلاح شده تا امکان درنظرگرفتن وابستگی کمیت های مختلف ریخت شناسی به عرض الکترود و انجام محاسبات برای تعداد چرخه پر و خالی متعدد فراهم گردد. به منظور بررسی برخی فرضیات آزمایش هایی نیز در این بخش انجام شده است. نتایج تجربی در کار حاضر نشان می دهد در باتری های لیتیم یونی با فناوری روز می توان مقدار تخلخل در الکترودها را حین فرایند پر و خالی شدن ثابت درنظرگرفت. در بخش شبیه سازی، برای اولین بار، تغییرات ضخامت لایه تشکیل شده روی جامد در سطح مشترک جامد و الکترولیت، sei، در عرض الکترود در اثر تغییرات واکنش شیمیایی جانبی شبیه سازی و از آن به عنوان معیاری برای بررسی شدت شرایط بحرانی استفاده شده است. بر این اساس، نتایج پیش بینی می کنند سمتی از الکترود که با جداکننده تماس دارد، بدترین شرایط را تجربه می کند. در ادامه، به بررسی اثر کمیتهای مختلف بر کنترل یکنواختی لایه sei در عرض الکترود پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد هدایت یونی الکترولیت اثر زیادی بر نایکنواختی دارد و افزایش این کمیت باعث بهبود کارآیی و افزایش عمر باتری می شود. افزایش ضریب نفوذ، یکنواختی در ضخامت و مقاومت الکتریکی sei در عرض الکترود را بهبود می بخشد، اما نرخ بهبود با افزایش ضریب نفوذ کاهش می یابد. همچنین نتایج بررسی اثر خواص مربوط به ریخت شناسی بر یکنواختی لایه seiنشان می دهد در حالتی که ذرات فعال از کره هایی با سطح هموار تشکیل شده که کاملاً در تماس با ملکولهای الکترولیت هستند تغییر کمیت های ریخت شناسی در عرض الکترود اثر قابل توجهی روی تشکیل لایه sei و مقاومت الکتریکی آن ندارد. ولی، اگر هر سه پارامتر تخلخل، شعاع ذرات فعال و سطح مشترک مستقل از هم دارای شیب مثبت در عرض الکترود باشند، ضخامت sei یکنواخت تر می شود. این نکته می تواند معیار انتخاب ریخت های جدید برای قسمتی از آند که در تماس با جداکننده است، باشد.

در این پایان نامه، با استفاده از تکنیک شبیه سازی دینامیک مولکولی، خواص گرمایی(رسانندگی گرمایی) آلومینیم در مقیاس ماکرو و نانوسیم آلومینیم مطالعه شده است. در شبیه سازی ها زبان برنامه نویسی فرترن استفاده شد و شبیه سازی ها در هر دو هنگرد npt و nvt انجام شده است. از پتانسیل بس ذره ای ساتن-چن برای محاسبه ی انرژی و نیرو استفاده شده است. برای کنترل دما و فشار، به ترتیب از ترموستات نوز-هوور و باروستات برنسن استفاده شد. معادلات حرکت با استفاده از الگوریتم ورله سرعتی حل می شوند. خواص گرمایی آلومینیم خالص و آلومینیم با نقص خطی در مقیاس ماکرو بررسی شد. نتایج ما نشان می دهد که نقطه ذوب و ظرفیت گرمایی آلومینیم با نقص خطی نسبت به آلومینیم خالص کاهش می یابد. هم چنین با استفاده از روش گرین-کوبو رسانندگی گرمایی آلومینیم در مقیاس ماکرو و نانوسیم آلومینیم را محاسبه کردیم. علاوه بر این، تأثیر افزایش شعاع نانوسیم و تهی جا را بر مقدار رسانندگی گرمایی مطالعه کردیم. طی این مطالعه رسانندگی گرمایی نانوسیم با افزایش شعاع افزایش یافت و با افزایش تهیجا(نقص نقطه ای) کاهش پیدا کرد.

هدف از اجرای این پژوهش، بررسی ویژگی های حرارتی، رفتارهای تعادلی و فازی فلزات خالص طلا و نیکل و همچنین آلیاژ au-ni در مقیاس نانو و ماکرو به روش شبیه سازی دینامیک مولکولی است. پتانسیل برگزیده برای این شبیه سازی پتانسیل ساتن-چن کوانتومی است. خواص ترمودینامیکی از جمله دمای ذوب، انرژی همدوسی، ضریب انبساط طولی و حجمی‏، گرمای نهان و ظرفیت گرمایی ویژه در هنگرد npt محاسبه گردیده است. اثر فشار و دما بر خواص گرمایی نانوسیم au3ni مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد که‎‎‎‎‎ ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب انبساط حجمی با افزایش فشار کاهش می یابند و این در حالی است که با افزایش فشار، دمای ذوب افزایش می یابد. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که دمای ذوب (tm(r نانوسیم به قطر آن بستگی دارد بطوری که متناسب با معکوس شعاع سیم به صورت tm (r)/tmb(r) =1-c/r است و همچنین نشان دادیم که گرمای نهان نانوسیم نیز از رابطه ی مشابه ای تبعیت می کند. علاوه بر این‏، بر اساس محاسبات تحلیلی ما پیش بینی کردیم که رابطه ی بین انرژی همدوسی توده (eb)و‎ نانوسیم ‎(ew) ‎‎ تابعی از قطر نانوسیم است (ew/ eb=1-2d/3d)، و در انتها با اعمال تنش های مختلف بر نانوسیم au3ni مشاهده شد که با افزایش تنش دمای ذوب نانوسیم کاهش می یابد.‎

هدف اصلی از این پژوهش بررسی پارامترهای موثر بر پخش نانو قطره نقره بر روی سطح مس با روش شبیه سازی دینامیک مولکولی است. ا ین شبیه سازی در هنگرد کانونیک (npt) انجام شده است. در این شبیه سازی از پتانسیل مورس و پتانسیل ساتن-چن کوانتومی استفاده شده است و برای حل معادلات دیفرانسیل جفت شده بین ذرات و محاسبه مسیرهای فاز از روش سرعت ورله استفاده کرده ایم. با تغییر تعداد اتم های نانو قطره نقره، اثر شعاع در تَرشدگی و زاویه تماس بین نانو قطره نقره با سطح جامد مس محاسبه شده است. با تغییر آهنگ کاهش دمای نانو قطره در هنگام پخش، مشاهده کردیم که هر چه آهنگ سرد شدن کمتر باشد، زاویه تماس کم تر شده و نانو قطره نقره بهتر بر روی سطح مس پخش می شود. و همچنین با تغییر دمای اولیه نانو قطره مشاهده کردیم که افزایش دمای اولیه سبب کاهش زاویه تماس که معیاری از ترشدگی سطح و قدرت پیوند است، می شود.

در سالهای اخیر به منظور بهینه سازی خواص مکانیکی و فیزیکی مواد جهت استفاده در نانوفناوری، از نانوساختارها، و بویژه نانوساختارهای کربنی (گرافن و نانولوله کربنی) بعنوان تقویت کننده، بهره گرفته شده و تحقیقات در این زمینه در سطح جهانی بسیار مورد توجه بوده است. با توجه به اینکه بسیاری از خواص فیزیکی و مکانیکی مواد در مقیاس نانو تابعی از اندازه آنان است، و همچنین نظر به اینکه برخی از خواص مواد با کوچک شدن اندازه آنها بهبود مییابد، لذا به منظور بررسی خواص مکانیکی مواد مختلف در مقیاس نانو، تحقیقات تجربی و محاسباتی بسیاری لازم میباشد. با توجه به هزینه کلان آزمایشهای تجربی و دشوار بودن مشاهده پدیدهها در مقیاس نانومتری، بررسی رفتار مواد در مقیاسهای مختلف زمانی و طولی با استفاده از روشهای مدلسازی، بسیار مقرون به صرفه می باشد. هدف این رساله، بررسی و پیش بینی خواص مکانیکی پلیمرهای زیستی تقویت شده توسط نانوساختارهای کربنی با استفاده از مدلهای چند مقیاسی، و بررسی خواص چسبندگی و مکانیکی پلیمرهای زیستی بر روی سطوح سرامیکی و گرافن در مقیاس اتمی می باشد. برای این منظور، ابتدا، خواص مکانیکی مواد آمورف (پلیمرها و کامپوزییت ها) در رژیم های طولی مختلف ، با استفاده از یک مدل چند مقیاسی بررسی می شوند. با بهره گیری از این مدل، خواص مکانیکی پلیمر زیستی کیتوسان و کیتوسان تقویت شده توسط نانولولهکربنی و گرافن مورد تحقیق قرار میگیرند. همچنین با ضابطه مند کردن نانو ساختارهای کربنی توسط اتمهای هیدروژن، اثر اتمهای هیدروژن برروی خواص مکانیکی کامپوزیتها بررسی می شود. همچنین نشان داده می شود که مدول کششی، وابسته به مقدار پوشش هیدروژن بر نانوساختارها در کامپوزیتها داشته، بطوریکه با افزایش پوشش هیدروژنی نانوساختارها، و تغییر شکل آنها، مدول کششی کاهش می یابد، و تغییر شکل نانوساختارها نقش مهمی را در خواص مکانیکی کامپوزیت ها بازی می کند. در ادامه، با استفاده از یک روش دینامیک مولکولی، خواص چسبندگی پروتئین کولاژن بر روی سطوح صاف و زبر سرامیک های دی اکسید تیتانیم (tio2) و آلومینا (?-al2o3) مورد مطالعه قرار می گیرد. در این پژوهش، سطوح زبر با استفاده از روش فرکتالی،که یک روش مناسب برای توصیف نانوساختارهای زبر می باشد، تولید می گردد. نتایج بدست آمده نشان میدهند که چسبندگی دیاکسید تیتانیم نسبت به آلومینا بیشتر است، همچنین با افزایش زبری سطوح (کاهش نماد هرست) انرژی چسبندگی بیشتر می شود، بطوریکه سطح زبر tio2 با کمترین نماد هرست، بهترین سطح، از نظر چسبندگی با کولاژن می باشد. این اطلاعات میتواند در ساختن ایمپلنتهای استخوانی با چسبندگی بهینه که مورد نظر نانو فناوری پزشکی میباشند، مفید واقع شوند. در نهایت، دو مسئله دیگر مورد بررسی قرار گرفته اند. در مسئله اول، به منظور مطالعه خواص مکانیکی پروتئین کولاژن حاوی گرافن، تست کشش گرافن از داخل فیبرهای کولاژن، با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی انجام گرفته است. نتایج بیان می کنند که برای گرافن موجی با نرخ سرعت کشش بالاتر، انکسار و پارگی ایجاد شده محسوس تر بوده، و با افزایش ارتفاع امواج بر روی صفحه گرافن، نیروی بین سطحی افزایش می یابد. همچنین با افزایش دما تا یک مقدار بحرانی، نیروی کششی افزایش یافته و بالاتر از این دمای بحرانی، تقریبا مستقل از دما میباشد. در مسئله دوم، اثر جذب سطحی مولکول های هیدروژن بر مورفولوژی گرافن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که مولکول های هیدروژن باعث موج دار شدن گرافن می شوند. با افزایش درصد حجمی پوشش هیدروژن تا یک مقدار بحرانی، برروی گرافن، دامنه موج گرافن نیز افزایش مییابد. با افزایش پوشش هیدروژنی بالاتر از این مقدار بحرانی، ارتفاع امواج کاهشی میشوند. این نتایج پیشنهاد میدهند که در دماهای پایین، درصد پوشش مولکولهای هیدروژن میتوانند معیار مناسبی برای کاربرد آنها در نانوادوات گرافنی باشند.

در این پایان نامه تاثیر تنش برخواص گرمایی نانوسیم مس با استفاده از تکنیک شبیه سازی دینامیک مولکولی که از بین روش های دیگر محاسباتی برگزیده شده انجام شده است.برای انجام این پروژه از زبان برنامه نویسی فرترن استفاده شده است.ساختار نانوسیم شبیه سازی شده وپتانسیل ساتن-چن کوانتومی به ذرات اعمال گردیده است.. پس از محاسبه خواص گرمایی نانوسیم آن را تحت تنش های کششی متفاوت قرار داده و اثرات آن را مورد بررسی قرار دادیم. در این پایان نامه هم چنین تأثیر قطر بر خواص گرمایی نانوسیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیه-سازی نشان می دهد که دمای ذوب وظرفیت گرمایی ویژه درفشار ثابت سیستم شبیه-سازی شده درحالت ماکرو نزدیک داده های تجربی می باشد هم چنین انرژی بستگی ،دمای ذوب ،ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت وضریب انبساط خطی در حالت نانو نسبت به ماکرو کاهش وگرمای نهان ذوب افزایش می یابد.با افزایش قطر نانوسیم انرژی بستگی ودمای ذوب افزایش می یابد.با وارد کردن تنش به نانوسیم انرژی بستگی ودمای ذوب سامانه کاهش می یابد.

سیلیسیم به عنوام مهمترین ماده قرن 20 شناخته شده است که نقش مهمی در کامل کردن چرخه اتقلاب میکروالکترونیک دارد. با اینکه ساختار اتمی si و c به یکدیگر شباهت دارند ولی نانو لوله سیلیسیمی که ویژگی هایی شبیه به ویژگی های نانولوله کربنی داشته باشد، مشاهده نشده است و نانولوله تک دیواره سیلیسیمی با ساختار پایدار در مقاطع عرضی مختلف از جمله راست گوشه، مخمسی و شش ضلعی با استفاده از شبیه سازی پیش بینی شده اند. اخیرا نانولوله های سیلیسیمی در آزمایشگاه سنتز شده است. با توجه به اینکه وجود نقص در ساختار بلوری اجتناب ناپذیر است، بررسی تاثیر این نواقص بر ویژگیهای ماده ضروری به نظر می رسد، یکی از بهترین روشهای بررسی شبیه سازی دینامیک مولکولی می باشد. در این پایان نامه با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی، تغیییرات دمای ذوب نانولوله های سیلیسیمی با توجه به تغییرات شعاع و زاویه کایرال بررسی شده است. رفتار سه نوع نانو لوله زیگزاگ، دسته صندلی و کایرال با پتانسیل بین اتمی ترسف در هنگرد npt شبیه سازی شده است.نتایج حاکی از این است که دمای ذوب نانو لوله های سیلیسیمی با توجه به ساختار و زاویه کایرال آنها متفاوت است، با افزایش شعاع، دمای ذوب نیز بصورت غیر خطی افزایش یافته و به مقدار ثابتی میل می کند و میزان این افزایش برای سه نوع نانو لوله زیگزاگ و دسته صندلی و کایرال یکسان نیست.همچنین وجود ناراستی (نقص) نقطه ای از نوع تهی جا نیز پایداری نانولوله ها را کاهش داده و همچنین باعث کاهش دمای ذوب آنها می شود

در این رساله راهکاری جهت جلوگیری از ورود یا خروج گرمای ناخواسته تابشی (امواج الکترومغناطیس فرو سرخ) به داخل یا خارج سیستم مورد بررسی (ساختمان، خودرو و ...) ارائه می-گردد. با این راهکار مصرف انرژی گرمایشی یا سرمایشی بشدت کاهش می یابد. اختلاف دمای بین سیستم و محیط سبب انتقال گرما و هدر رفت انرژی می شود، ولی در واقع انتقال گرما به روش تابشی نسبت دو روش رسانش و همرفت از اهمیت بیشتری برخوردار است، چراکه بر اساس قانون بیر-لامبرت با افزایش ضخامت دیوارها می توان از انتقال گرما توسط دو روش ذکر شده جلوگیری کرد.هدف از این تحقیق نشاندن ذرات نانو سولفید روی برروی شیشه به روش لایه نشانی پرتو الکترونی با آرایش چند لایه zns/ag/zns برای جلوگیری از ورود یا خروج گرمای ناخواسته تابشی از ساختمان است. بهینه کردن خواص مورد نظر این چندلایه بویژه ضخامت لایه با استفاده از مدل سازی و نیز تئوری ماتریس ها انجام گردید. اندازه گیری به روش زبری سنجی با دستگاه afm و ضخامت لایه به روش استاندارد کریستال کوارتز و همچنین بیضی سنجی انجام گرفت. کاربرد تجربی و عملکرد مناسب سیستم بخوبی با دوربین ترموگراف بررسی شد.