Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/6501
Title: Ατομιστική προσομοίωση της ρόφησης, δομής και κινητικότητας μικρών μορίων εντός νανοσωλήνων άνθρακα
Authors: Καραχάλιου, Έλενα-Κωνσταντίνα
Issue Date: 2013-12-06
Keywords: Νανοσωλήνες άνθρακα
Προσομοίωση
Keywords (translated): Carbon nanotubes
Simulation
Abstract: Ο σχεδιασμός καινοτόμων νανοδομημένων μεμβρανών αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη λύση για την αποτελεσματική και χαμηλού κόστους επεξεργασία των λυμάτων. Συνεπώς, η επιλογή των κατάλληλων υλικών και η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων διαπερατότητας τους αποτελούν βασικά ζητήματα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν μία πολύ ελκυστική επιλογή λόγω της ικανότητας απόρριψης οργανικών ρύπων χαμηλού μοριακού βάρους. Γι’ αυτό το λόγο, η διεξαγωγή μοριακών προσομοιώσεων είναι πολύ σημαντική, όσον αναφορά τη μελέτη της ρόφησης και της μεταφοράς των μορίων αυτών, έτσι ώστε να επιτευχθεί καλύτερος σχεδιασμός των υλικών. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αυτό-οργάνωση και η διάχυση μορίων χαμηλού μοριακού βάρους εντός νανοσωλήνων άνθρακα σε σχέση με τη διάμετρο των πόρων του. Αρχικά, με τη βοήθεια ενός ατομιστικού αλγορίθμου Monte Carlo, κατέστη δυνατή η μελέτη της ρόφησης και της δομής των μορίων νερού εντός των νανοσωλήνων άνθρακα, σε συνάρτηση με τη διάμετρο τους, ενώ ο αλγόριθμος μπορεί να επεκταθεί έτσι ώστε να μελετηθεί η αυτό-οργάνωση και άλλων μικρών μορίων. Στην περίπτωση μας, παρατηρήθηκε ισχυρή εξάρτηση της δομής του εγκλεισμένου νερού από τη διάμετρο των υδροφοβικών νανοπόρων. Ο δεύτερος ατομιστικός αλγόριθμος που αναπτύχθηκε βασίζεται στη μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής (MD) και μας επιτρέπει να υπολογίσουμε τις δυναμικές ιδιότητες των μορίων που ροφώνται εντός του νανοσωλήνα άνθρακα, ως συνάρτηση πάλι της διαμέτρου του. Η εφαρμογή και των δύο αλγορίθμων (MC και MD) είναι πολύ σημαντική, καθώς αρχικά με την υλοποίηση του αλγόριθμου Monte Carlo (MC), χρησιμοποιώντας μια σειρά από δραστικές κινήσεις, μπορούν να μελετηθούν οι δομικές ιδιότητες του συστήματος που μας ενδιαφέρει. Στη συνέχεια, μπορούν να πραγματοποιηθούν προσομοιώσεις MD χρησιμοποιώντας ως αρχική απεικόνιση μία διαμόρφωση από το MC η οποία θα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Το γεγονός αυτό καθίσταται πολύ σημαντικό για αρκετά μεγάλα μόρια, των οποίων η προσομοίωση MD απαιτεί τεράστιο υπολογιστικό χρόνο, καθώς η ρόφηση εντός των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να είναι αρκετά χρονοβόρα. Αντίθετα για μικρά μόρια, οι προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής μπορούν να προβλέψουν αξιόπιστα τα χαρακτηριστικά της ρόφησης σε εύλογο χρονικό υπολογιστικό διάστημα. Μέχρι τώρα, έχουν υλοποιηθεί προσομοιώσεις MD για να προβλεφθεί η αυτό-οργάνωση και η υδροδυναμική συμπεριφορά όχι μόνο του νερού αλλά και άλλων μορίων (όπως η τυροσόλη, το βανιλλικό οξύ και το π-κουμαρικό οξύ) για πολυθρονικούς μονοφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα, με τα αποτελέσματα να εμφανίζουν μεγάλη εξάρτηση από τη διάμετρο των πόρων των νανοσωλήνων.
Abstract (translated): The rejection of organic pollutants with low molecular weight, as well as the membrane fouling, should be considered fundamental aspects for the design of innovative nanostructured membranes for waste water treatment. The selection of the appropriate materials for the manufacturing of new membranes and the optimization of their permeability properties constitute key issues that one has to address for new, improved, and integrated separation processes. Carbon nanotubes (CNTs) exhibit the unique capability to reject low molecular weight solutes which renders them a very attractive alternative to conventional separation membranes. Their ability to transport or store fluids, particularly aqueous solutions at the nanoscale is a key parameter that one has to explore in terms of science and technological aspect. Therefore, a thorough understanding of the molecular distribution and the transport mechanisms of small molecules within CNTs is essential. Molecular simulations have proven to be a versatile tool for studying fluid characteristics within CNTs. In the present study, we have carried out detailed atomistic Grand Canonical μVT Monte Carlo (GCMC) and Molecular dynamics (MD) simulations of low-molecular weight compounds inside smooth single-wall carbon nanotubes (SWNTs) and studied their structural and dynamic properties as a function of the CNT diameter. The GCMC code is capable of probing the CNT loading of water molecules and their self-organization inside the tube as a function of its diameter, while the MD algorithm allowed us to compute also the dynamics of the absorbed molecules inside the CNT, again as a function of its diameter. For the case of water molecules, the results for the thermodynamic and structural properties obtained by both methods (Grand canonical MC and MD) were identical and demonstrated a highly ordered, hydrogen-bonded structure which depends strongly on the diameter of the nanotube. Ideally, the two methods should be used in a hierarchical way: first, with the help of the MC algorithm, and by making use of a set of drastic MC moves, one can study the nano-sorption properties of the compound of interest for a given CNT diameter. Then, MD simulations can be carried out using as initial configuration one obtained from the MC runs at the state of thermodynamic equilibrium. This is very important for rather large molecules whose sorption inside CNTs with a rather small diameter might take too long to complete in a brute-force MD simulation because it might require times longer than the few microseconds that can be accessed today on the most powerful supercomputers. But for small compounds, the MD simulations can reliably predict their nano-soprtion characteristics within reasonable CPU time. Therefore, MD simulations were employed to compute the sorption and structural properties not only of water but also of other molecules (such as hexane, decane, tyrosol, and vanilic acid) in arm-chair CNTs with several diameters. All of the results have been found to depend strongly on the diameter of the nanotube.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)



Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.