19846

۱۹۸۴۶

مطالعه برهمكنش مخلوط مواد فعال سطحي و نانوصفحات گرافني با استفاده از شبيه سازي ديناميك ملكولي

دكتري

شيمي فيزيك

۱۳۹۷/۰۶/۲۷

دكتر بهشته سهرابي

شيمي

نامحلول بودن گرافن در محيط¬هاي آبي يك محدوديت براي كاربردهاي عملي اين ماده بي نظير است. يك روش موثر براي تهيه سوسپانسيون¬هاي پايدار گرافن، عامل¬دار كردن غيركووالانسي گرافن با كمك مواد فعال سطحي مي¬باشد. جذب فيزيكي مواد فعال سطحي برروي سطوح گرافن مرحله مهمي در پراكنده كردن نانوصفحات گرافن در محيط آبي است. درك مكانيسم جذب و خودتجمعي مواد فعال سطحي برروي سطح گرافن اهميت زيادي براي بهينه¬سازي بهتر فرآيند پراكندگي گرافن دارد. به اين منظور در اين رساله، از شبيه¬سازي¬هاي ديناميك ملكولي تمام اتمي و بزرگ مقياس براي بررسي ساختار تجمعات مواد فعال سطحي روي سطح گرافن در سه سيستم مختلف شامل مخلوط مواد فعال سطحي كاتيوني و آنيوني، مخلوط مواد فعال سطحي كاتيوني و آنيوني در حضور الكتروليت و مواد فعال سطحي دوقلو، استفاده شده است. نتايج به¬دست آمده از سيستم¬هاي محتوي مخلوط مواد فعال سطحي نشان داد كه مورفولوژي تجمعات موادفعال سطحي برروي گرافن به تعداد مواد فعال سطحي در جعبه شبيه¬سازي وابسته است و با افزايش غلظت مواد فعال سطحي، مدل جذب سطحي تصادفي به تدريج به مدل جذب تك لايه¬اي و سپس به مدل شبه كره¬اي تبديل مي¬شود. همچنين برهم¬كنش¬ها بين دو تجمع گرافن-مخلوط مواد فعال سطحي با محاسبه پتانسيل نيروي ميانگين بين آن¬ها بررسي و به وضوح مشخص شد كه افزايش پوشيدگي سطح مواد فعال سطحي منجر به تقويت سد دافعه پتانسيل نيروي ميانگين مي¬شود. اين بررسي مي¬تواند راهنمايي براي كاربردهاي جديد مخلوط مواد فعال سطحي، انتخاب مناسبي از مخلوط مواد فعال سطحي ديگر جهت پراكنده كردن گرافن و نيز بهينه¬سازي فرآيند پراكندگي گرافن باشد. نتايج حاصل از شبيه-سازي در سيستم¬هاي مخلوط مواد فعال سطحي در حضور الكتروليت نشان داد كه افزايش قدرت يوني الكتروليت باعث تقويت كشش مواد فعال سطحي جذب شده روي گرافن به سمت فاز آبي مي¬شود كه اين منجر به انبساط حجمي آشكار در ساختار ميسل¬هاي شبه كره¬اي و پايداري بيشتر سوسپانسيون¬هاي آبي گرافن مي¬شود. در حقيقت اثر پوششي يون¬هاي الكتروليت بروي دافعه الكتروستاتيك مابين گروه¬هاي سر باردار مواد فعال سطحي سبب نزديك شدن گروه¬هاي سر به همديگر شده كه منجر به تجمع متراكم¬تر مواد فعال سطحي برروي سطح گرافن شده است. يافته¬هاي حاصل از شبيه¬سازي در سيستم¬هاي محتوي مواد فعال سطحي دوقلو نيز نشان داد كه مورفولوژي تجمعات تشكيل شده برروي سطح گرافن تحت تاثير ساختار ماده فعال سطحي است و مواد فعال سطحي دوقلو به دليل نوع ساختارهاي تجمعي¬شان، در پايدار كردن سوسپانسيون¬هاي آبي نانوصفحات گرافن موثرتر هستند.

1397/08/21

Study the interaction of Mixed Surfactants and graphene nanosheets using molecular dynamics simulation

9/18/2019 12:00:00 AM

The insolubility of graphene nanosheets in aqueous media has been a limitation for the practical applications of this unique material. The non-covalent functionalization of graphene with amphiphilic surfactants is an effective procedure for preparation of stable graphene dispersions. Physical adsorption of surfactants onto graphene surfaces is a significant stage in the dispersion of graphene nanosheets in the aqueous environment. Understanding the mechanism of adsorption and self-assembly of surfactants on graphene is highly important to better optimization of graphene dispersion process. For this purpose, a large-scale and all-atomistic molecular dynamics (MD) simulation has been used to investigate the structure of surfactant assemblies formed onto graphene nanosheets in three different systems containing catanionic mixture of surfactants, catanionic mixture of surfactants in the presence of electrolyte and Gemini surfactants. The obtained results in the systems containing catanionic mixture of surfactants indicate that the morphology of surfactant assemblies on graphene depended on the number of surfactants in the simulation box, and the random adsorption model first changes to the monolayer model and then the hemispherical model with an increased surfactant concentration. The interactions between two surfactant mixture-graphene assemblies were also evaluated through calculating the potential of mean force (PMF), and it was found that increasing surfactant surface coverage would lead to an enhanced repulsive barrier of PMF. Our research can be a guide to new applications of surfactant mixtures, an appropriate selection of other surfactant mixtures for dispersing graphene, and optimizing the graphene dispersion process. The obtained results in the systems containing mixture of surfactants in the presence of electrolyte show that increasing the ionic strength of electrolyte reinforces stretching of surfactants adsorbed on graphene toward the aqueous phase, and this leads to a clear volume expansion in the hemispherical micelles structure and further stability of graphene aqueous suspensions. In fact, the screening effect of electrolyte ions on electrostatic repulsion between charged head groups made head groups approach each other, leading to a more compact assembly of surfactants on graphene surface. The simulation results for the systems containing Gemini surfactants demonstrate that the morphology of surfactant assemblies on the graphene is influenced by the surfactant structure. Due to the structure of Gemini surfactant assemblies formed onto graphene surface, they have superior ability for stabilizing aqueous suspensions of graphene nanosheets.