22733

بررسي خواص گرافن آلاييده شده با عناصر گروه چهارم و اثر آن روي خواص ترشوندگي سطوح آب دوست به روش شبيه سازي ديناميك مولكولي

دكتري تخصصي

شيمي فيزيك

1399/4/30

دكتر بهشته سهرابي نظري

شيمي

معمولا از روش آلاييدن براي بهبود خواص مواد مختلف استفاده مي شود. مطالعات تئوري در مورد گرافن نشان داده است كه آلاييدن گرافن باعث تغيير خواص الكتريكي گرافن به مقدار قابل ملاحظه و تبديل آن به فلز و يا نيمه هادي مي گردد. در اين رساله آلاييدن گرافن با عناصر چهارم جدول تناوبي شامل سيليسيم ، ژرمانيم و قلع به شكل محاسباتي مورد بررسي قرار گرفته است. براي نيل به اين هدف ، از تركيبي از روشهاي محاسباتي كوانتومي و همچنين روشهاي شبيه سازي استفاده شده است. از آنجايي كه عناصر گروه چهارم همانند كربن داراي چهار الكترون ظرفيت هستند. از اين رو انتظار مي رود آلاييدن گرافن با اين عناصر باعث تغيير در تعداد پيوندها و نوع هيبريداسيون نگردد. با وجود اين به علت بزرگتر بودن اين عناصر نسبت به كربن، موقعي كه اين عناصر جايگزين كربن در شبكه گرافن مي شود نيروي دافعه واندر والسي زيادي حاصل مي گردد. مطالعات انجام شده نشان داد كه براي كاهش اين دافعه واندروالسي، اتم آلاييده شده از شبكه مسطح گرافن خارج شده و در محل آلاييدگي، يك برجستگي هرمي شكل ايجاد مي شود. مقدار برجستگي يا به عبارت ديگر ارتفاع هرم تشكيل شده به اندازه اتم آلاييده بستگي داشته و با بزرگ شدن اندازه اتم ارتفاع هرم هم افزايش مي يابد. اگر يك بستر آب دوست با گرافن تك لايه پوشانده شود برهم كنش هاي آب دوستي بستر مي توانند از خلال شبكه گرافن عبور كرده و باعث كاهش خواص آب گريزي گرافن گردند. اگر بستر آب دوست به جاي گرافن با گرافن آلاييده شده با عناصر گروه چهارم از سمتي كه اين عناصر از صفحه خارج شده اند پوشانده شود در آن صورت اتم هاي كربن بطور مستقيم برروي اتم هاي بستر قرار نگرفته و بين آنها يك فاصله ايجاد مي شود. اين فاصله مي تواند باعث كاهش بركنشهاي هاي آب دوستي عبور كرده از درون گرافن شده و خواص آب گريزي را بهبود بخشد. در اين كار تحقيقاتي براي مطالعه اثر آلايندگي در گرافن بر روي خواص آب گريزي آن يك مدل تئوري توسعه داده شد و براي ارزيابي مدل توسعه داده شده از روش شبيه سازي ديناميك مولكولي برروي بستر هاي آب دوست مس و طلا كه با گرافن هاي آلاييده پوشانده شده بود استفاده گرديد. نتايج شبيه سازي نزديك به نتايج بدست آمده توسط مدل بود و نشان داد كه استفاده از گرافن هاي آلاييده با عناصر گروه چهارم مي تواند باعث افزايش خواص آب گريزي گردد.

1399/09/10

study of graphene doped with the forth group elements of the periodic table and its effect on wetting properties of hydrophilic surfaces by molecular dynamic simulation

7/20/2020 12:00:00 AM

Doping is usually considered as a common approach for improving properties of substances. Theoretical studies on the graphene show that dipping can effectively change electrical properties of graphene and it causes the graphene to behave like a metal or semiconductor. In the present study doping of the fourth group elements of periodic table including Silicon, Germanium and Tin to the graphene lattice has been computationally studied. To this end mixed of quantum and simulation calculations have been used. Since elements of the 4th group have four valence electrons similar to Carbon hence it is expected that doping of these elements don't change bond hybridisation. How ever graphene is coverted from smooth state to pyramid wrinkle state on the doped site for reducing vander Waals repulsion because of the difference in size of the doped atom with carbon. In fact, amount of wrinke or in the other words height of created pyramid depends on size of the doped atom. If a hydrophilic substrate is coated by graphene monolayer, hydrophilic interaction can pass through graphene film and subsequent decreases the hydrophobicity of graphene monolayer. If instead of graphene , the doped graphene lay on a smooth hydrophilic substrate, from the face in weach doped atoms exit , carbon atoms will not directly lay on the substrate , hence , a distance between doped graphene carbon atoms and atoms of the substrate will be created. It is expected that the created distance between substrate and graphene prevent decrease of hydrophobicity. In this work, we developed a theoretical model to investigate effect of doping on hydrophobicity. we also performed molecular dynamic simulations on Coper and Gold coated by graphene and doped graphenes. The results of our simulation are very close to the results of the theoretical model and show that doping can increase graphene hydrophobicity.