Skip to main content
SUPERVISOR
سیداکبر جعفری (استاد مشاور) حسن حداد زاده (استاد مشاور) سامان علوی شوشتری (استاد راهنما) بیژن نجفی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hossein Mohammadimanesh
حسین محمدی منش

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384

TITLE

Calculation of Linear Thermal Expansion Coefficient and Determination of Dynamics Properties and 13C NMR Powder Lineshapes of Linear and Nonlinear Guest Molecules in Structure I Clathrate Hydrate from Molecular Dynamics Simulations
In the first part of this thesis, Molecular dynamics simulations are used to determine the hydrate lattice parameters for eight Structure I (CH 4 , C 2 H 6 , CO, CS, CH 4 + C 2 H 2 , CH 4 + C 2 H 4 , CH 4 + COS , and CH 4 + CS2) as a function of temperature. The simulated lattice parameters and the calculated linear thermal expansion coefficient are in good agreement with experimental data. In the second part of thesis, molecular dynamics simulations are performed for linear molecules CO, CS, CS 2 , OCS, and HCCH and nonlinear molecule C 2 H 4 in large cages of the structure I (sI) clathrate hydrate at different temperatures in the stability range to determine the angular distribution and dynamics of the guests in the large cages. When a guest molecule is placed in the oblate large sI clathrate hydrate cages, it rotates so that the long axis of the molecule is confined near the equatorial plane of the cage rather than axial regions. This non-uniform spatial distribution leads to anisotropic lineshapes in the solid-state NMR spectra of the guest species. We use the averaging of guest orientations in the cages during the MD simulation to calculate 13 C NMR powder lineshapes of the guests in the large cages. The length of the molecules and strength of intermolecular interactions of the guests with the cage water molecules are shown to be the important factors in determining the angular distribution and the mobility of the guests in the sI large cages.
در بخش اول این رساله، با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی NPT ، پارامترهای شبکه‌ی 4 سامانه‌ی هیدرات گازیsI خالص شامل هیدرات متان، هیدرات اتان، هیدرات کربن مونواکسید و هیدرات کربن مونوسولفید و 4 سامانه‌ی هیدرات گازیsI دوتایی شامل (متان + اتیلن)، (متان + کربونیل سولفید)، (متان + استیلن) و (متان + کربن دی سولفید) به دست ‌آمدند و ضرایب انبساط‌پذیری گرمایی آنها محاسبه شدند. مقادیر پارامتر شبکه‌ی شبیه‌سازی شده در دماهای مختلف نشان می‌دهند که با افزایش جرم و حجم مولکول مهمان پارامترهای شبکه نیز افزایش می‌یابند که در تطابق با نتایج تجربی است. با استفاده از پارامترهای شبکه و با این فرض که ضریب انبساط گرمایی خطی با یک معادله‌ی درجه دو تطابق دارد، ضریب انبساط گرمایی خطی محاسبه می‌شود. در بخش دوم، شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی NVE برای بررسی توزیع زاویه‌ای، دینامیک و ناهمسانگردی طیف‌های 13 C NMR مولکول‌های مهمان خطی CO، CS، CO 2 ، OCS، CS 2 ، C 2 H 2 و مولکول مهمان غیرخطی C 2 H 4 در قفس‌های بزرگ هیدرات‌گازی sI و مولکول‌های مهمان CO و CS در قفس‌های کوچک هیدرات گازی sI در دماهای مختلف، در گستره‌ی ناحیه‌ی پایداری هیدرات انجام شده است. این مهمان‌ها گستره‌ی بزرگی از طول، جرم نسبی مرکزی و گروه‌های پایانی را شامل می‌شوند. وقتی یک مولکول در قفس‌های بزرگ پهن‌شده‌در دو قطب هیدرات گازی sI قرار می‌گیرد، طوری می‌چرخد که محور بزرگ مولکول بیشتر در صفحه‌ی استوایی قرار دارد. این توزیع ناهمگن منجر به ناهمسانگردی طیف‌های پودری MRحالت هیدرات این مهمان‌ها می‌شود. پهنای طیف‌های پودری NMR شبیه‌سازی شده‌ی مولکول‌های مهمان در قفس‌های بزرگ sI در توافق با نتایج تجربی، با افزایش دما کاهش می‌یابد. همچنین به جز برای مهمان CO که در دماهای پایین نیز در صفحه‌ی استوایی آزادی چرخشی دارد، تمایل طیف همه‌ی مولکول‌های خطی در دماهای پایین مشابه فاز خالص جامد مهمان است و در دماهای بالا تمایل طیف نسبت به دمای پایین معکوس می‌شود اما تمایل طیف‌های مهمان‌های CS 2 که حتی در دماهای بالا آزادی چرخش ندارند نسبت به حالت جامد آن تغییر نمی‌کند. توابع توزیع زاویه قطبی شبیه‌سازی‌شده وابسته به دما P( q ; T )، که برای همه‌ی مهمان‌ها حول زاویه قطبی q = 90 o در هر قفس متمرکز شده‌اند، با افزایش دما پهن‌تر و در یک دمای خاص با افزایش اندازه‌ی مولکول باریک‌تر می‌شوند و برای استیلن توزیع پهن‌تری نسبت به آنچه براساس طول آن انتظار می‌رود، دارند. طیف‌های NMR شبیه‌سازی شده برای مولکول مهمان CS و COدر قفس های کوچک در توافق با نتایج تجربی، نشان می‌دهند که جابجایی شیمیایی به صورت پیک باریکی متناظر با جابجایی شیمیایی همسانگرد مهمان خارج از قفس ظاهر می‌شود که بیانگر توزیع همسانگرد مولکول‌های مهمان در قفس‌های کوچک تقریباً کروی است. برای بررسی بیشتر دینامیک مهمان‌ها در قفس‌های بزرگ و کوچک تابع توزیع شعاعی (RDF)، میانگین مربع جابجایی (MSD)، تابع خود همبستگی سرعتی ( VACF ) ، و تابع خود همبستگی جهت‌گیری (OACF) مهمان‌ها نیز مطالعه شده‌اند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی