مدل نیروی ساده وندروالس امکان شبیه سازی نانوذرات وجهی را به ساختارهای بزرگتر امکان پذیر نمی کند – ScienceDaily


محققان در دانشگاه دوک یک روش ساده برای محاسبه نیروهای جذب ایجاد کرده اند که باعث می شود ذرات نانو به صورت خود بزرگ در ساختارهای بزرگتر جمع شوند.

با استفاده از این مدل جدید ، همراه با یک رابط کاربری گرافیکی که قدرت آن را نشان می دهد ، محققان می توانند پیش بینی های غیرممکن قبلی را در مورد نحوه تعامل نانوذرات با اشکال بسیار متنوع انجام دهند. روش جدید فرصت هایی را برای طراحی منطقی چنین ذراتی برای طیف وسیعی از برنامه ها – از استفاده از انرژی خورشیدی گرفته تا محرک واکنش های کاتالیزوری – فراهم می کند.

نتایج به صورت آنلاین در 12 نوامبر در مجله ظاهر می شود افق های مقیاس نانو

برایان هیون جونگ لی ، دانشجوی مهندسی مکانیک و علوم مواد در دوک و اولین نویسنده مقاله ، گفت: “نانوذرات وجهی می توانند منجر به رفتارهای مونتاژ جدیدی شوند که در گذشته مورد مطالعه قرار نگرفته اند.” “مکعب ها ، منشورها ، میله ها و غیره فعل و انفعالات مختلف ذرات را نشان می دهد که به فاصله و جهت بستگی دارد ، که می تواند برای ایجاد مجموعه های منحصر به فرد ذرات استفاده شود که فرد نمی تواند با خود جمع آوری ذرات کروی بدست آورد.

گوراو آریا ، دانشیار مهندسی مکانیک و علوم مواد در دوک ، افزود: “هر بار که به آخرین مجموعه مقالات منتشر شده در زمینه فناوری نانو نگاه می کنم ، برخی از کاربردهای جدید این نوع نانوذرات را می بینم.” “اما محاسبه دقیق نیروهایی که این ذرات را در فاصله بسیار نزدیک بهم می کشند از نظر محاسباتی بسیار گران است. ما اکنون رویکردی را نشان داده ایم که میلیون ها بار این محاسبات را سرعت می بخشد در حالی که فقط مقدار کمی دقت را از دست می دهد.”

نیروهایی که بین ذرات نانو عمل می کنند ، نیروهای وندر والس نامیده می شوند. این نیروها به دلیل تغییرات کوچک و موقتی در تراکم الکترونها در مدار اتمها مطابق با قوانین پیچیده فیزیک کوانتوم بوجود می آیند. اگرچه این نیروها از سایر فعل و انفعالات بین مولکولی مانند نیروهای کولن و پیوندهای هیدروژنی ضعیف تر هستند ، اما در همه جا وجود دارند و بین هر اتم عمل می کنند و غالباً بر تعامل شبکه بین ذرات مسلط هستند.

برای محاسبه صحیح این نیروها بین ذرات ، باید نیروی واندروالس را محاسبه کرد که هر اتم ذره بر هر اتم ذره نزدیک اعمال می کند. حتی اگر هر دو ذره مورد نظر مکعب های کوچکتر از 10 نانومتر باشند ، تعداد محاسبات خلاصه ای از همه فعل و انفعالات بین اتمی در ده ها میلیون خواهد بود.

به راحتی می توان فهمید که چرا تلاش برای انجام این کار بارها و بارها برای هزاران ذره واقع در موقعیت های مختلف و در جهت های مختلف در شبیه سازی بسیاری از ذرات به سرعت غیرممکن می شود.

آریا گفت: “کارهای زیادی برای تدوین خلاصه ای انجام شده است که نزدیک به یک راه حل تحلیلی است.” “برخی از رویكردها ذرات را از مكعبهای كوچك كوچك چسبانده شده با هم درمان می كنند. برخی دیگر سعی می كنند فضا را با حلقه های دایره ای بی نهایت نازك پر كنند. در حالی كه این استراتژیهای نمونه برداری به حجم اجازه می دهد تا محققان راه حلهای تحلیلی برای فعل و انفعالات بین هندسه های ذرات ساده را به صورت موازی بدست آورند. سطوح صاف یا ذرات کروی ، از چنین استراتژیهایی به دلیل هندسه پیچیده تر نمی توان برای ساده سازی فعل و انفعالات بین ذرات وجهی استفاده کرد. “

برای دور زدن این مشکل ، لی و آریا رویکرد متفاوتی را اتخاذ کردند و چندین ساده سازی را انجام دادند. اولین گام شامل نمایش ذرات است که نه از عناصر مکعب بلکه از عناصر میله ای شکل با طول های مختلف که در کنار هم قرار گرفته اند. سپس این مدل فرض می کند که میله هایی که برجستگی های آنها از حد پیش بینی شده ذره دیگر خارج می شود ، به میزان ناچیزی به کل انرژی برهم کنش کمک می کنند.

بیشتر فرض بر این است که انرژی های دیگر میله ها با انرژی میله هایی با همان طول ، واقع در همان فاصله طبیعی میله های واقعی ، اما با جابجایی جانبی صفر برابر هستند. آخرین ترفند تقریبی وابستگی فاصله بین انرژی میله و ذره است ، با استفاده از توابع power-law که دارای راه حل های بسته هستند ، هنگامی که فاصله ها به صورت جانبی میله های واقعی تغییر می کند ، همانطور که در تعامل تخت وجود دارد سطوح ذرات وجهی

پس از انجام همه این ساده سازی ها ، می توان راه حل های تحلیلی را برای انرژی بین ذرات بدست آورد و به کامپیوتر اجازه نفوذ در آنها را داد. و گرچه ممکن است یک اشتباه بزرگ به نظر برسد ، محققان دریافتند که نتایج فقط 8٪ از میانگین پاسخ برای تمام پیکربندی های ذرات کاهش داشته و در بدترین حالت فقط 25٪ متفاوت است.

در حالی که محققان بیشتر با مکعب کار می کنند ، آنها همچنین نشان می دهند که این روش با منشورهای مثلثی ، میله های مربع و اهرام مربع کار می کند. بسته به شکل و مواد نانوذرات ، رویکرد مدل سازی می تواند دامنه وسیعی از زمینه ها را تحت تأثیر قرار دهد. به عنوان مثال ، نانو مکعب های نقره یا طلا با لبه های نزدیک به هم می توانند با استفاده از نور در “نقاط داغ” کوچک ، باعث ایجاد حسگرهای بهتر یا واکنش های شیمیایی کاتالیزوری شوند.

آریا گفت: “این اولین بار است که کسی یک مدل تحلیلی برای فعل و انفعالات ون در والس بین ذرات وجهی ارائه می دهد.” “اگرچه ما هنوز آن را برای محاسبه نیروهای ذرات یا انرژی درون پویایی مولکولی یا شبیه سازی مونت کارلو از مونتاژ ذرات اعمال نکرده ایم ، اما انتظار داریم مدل این شبیه سازی ها را تا ده مرتبه بزرگتر تسریع کند.”

این مطالعه توسط بنیاد ملی علوم (جایزه CMMI 1636356 ، ACI-1053575) پشتیبانی شد.

منبع تاریخچه:

مواد تهیه شده توسط دانشگاه دوک. اصلی ، نوشته شده توسط Ken Kingery. توجه: مطالب را می توان از نظر سبک و طول ویرایش کرد.


منبع: packge-news.ir

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>