Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Jamshidian,Mohammad Silani,Mojtaba Alaei
مصطفی جمشیدیان (استاد راهنما) محمد سیلانی (استاد مشاور) مجتبی اعلائی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Abdolazim Dehghani
عبدالعظیم دهقانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Investigating Size-Dependent Surface Energy of Metallic Nanoplates using Molecular Dynamics Simulations and Continuum Mechanics Approach
The constituting atoms of material interact with each other and prevent the rupture of the material. Meanwhile, the bulk atoms are more constrained than the surface atoms because the bulk atoms, relative to the surface atoms, have more atoms in their neighbors. Because of this fact, creating a new surface, needs to consume energy. This energy that can be calculated is called the surface energy. Surface energy is a basic property for different crystal plane that helps to understand various phenomena such as surface separation, roughness, catalytic activity and stability of crystal structure. In fact, when thermodynamics or any other feature of nanostructures is discussed, the surface energy is one of the key properties. This property at nano-scale has the utmost importance, since at this scale the surface to volume ratio is very large and thus there is a significant difference between nanoscale properties and the engineering scale properties. In this study, the surface energy of metallic nanoplate of gold, silver and iron using molecular dynamics and continuum mechanics models are investigated and shown to be dependent on size. Metallic nanoplate surface energies of various materials with different thicknesses were determined using molecular dynamics and it was shown that for Metallic nanoplate with sufficiently small thickness, the surface energy is dependent on the thickness of nanoplate and the surface energy is reduced by reducing the thickness of the nanoplate. By analyzing the excess energy of different layers in nanoplate it was found that this size dependent is due to the excess energy reduction in the surface layers and rising in the inner layers that totally reduces the surface energy. Nano-scale molecular dynamics simulation is time consuming. The analysis of this phenomena is very important from a theoretical point of view. Therefore, the surface energy using continuum mechanics model was also analyzed. Size-dependent surface energy and excess energy density distribution curves of gold, silver and iron nanoplates are investigated using continuum model analytical relations and it was shown that the results have a good agreement with molecular dynamics simulation. The results indicate that the accuracy of the continuum analytical model for size-dependent surface energy is satisfactory. Keywords: Size-Dependent Surface Energy, Metallic Nanoplates, Molecular Dynamics Simulations, Continuum Mechanics
اتم های تشکیل دهنده ی ماده با قرارگیری در کنار یکدیگر به هم نیرو وارد می کنند و مانع از گسیختگی ماده می شوند. در این بین، اتم های توده ای تحت تاثیر انرژی بیش تری نسبت به اتم های سطحی می باشند؛ چرا که اتم های توده ای، نسبت به اتم های سطحی، تعداد بیش تری اتم در همسایگی خود دارند. به دلیل همین انرژی اتم ها، ایجاد سطحی جدید در ماده، نیازمند صرف انرژی است. این انرژی قابل محاسبه، انرژی سطحی نام دارد. انرژی سطح یک خاصیت پایه ای برای صفحات مختلف کریستال بوده که برای درک پدیده های مختلف هم چون جدایش سطح، زبری، فعالیت کاتالیزوری و ساختار تعادلی کریستال مهم است. در واقع هرگاه ترمودینامیک یا هر ویژگی دیگری از نانوساختارها مورد بحث قرار می گیرد، انرژی سطح یکی از خواص کلیدی است. این پدیده در مقیاس نانو از اهمیت زیادی برخوردار است؛ چراکه در این مقیاس نسبت سطح به حجم بسیار بزرگ است و در نتیجه خواص نانوساختارها به طور قابل توجهی متفاوت با مقیاس مهندسی است. در پژوهش حاضر، انرژی سطح نانوصفحات فلزی طلا، نقره وآهن با روش دینامیک مولکولی و مدل مکانیک محیط های پیوسته بررسی شده و وابستگی آن به اندازه نشان داده شده است. انرژی سطح نانوصفحات فلزی از مواد متنوع و با ضخامت های مختلف با روش دینامیک مولکولی محاسبه گردید و نشان داده شد که برای نانوصفحات فلزی نازک با ضخامت های به اندازه کافی کوچک، انرژی سطح به ضخامت نانوصفحه وابسته بوده و با کاهش ضخامت نانوصفحه انرژی سطح کاهش می یابد. با بررسی انرژی اضافی لایه های مختلف در نانوصفحات بسیار نازک مشخص شد که این وابستگی به اندازه ناشی از کاهش انرژی اضافی در لایه های سطحی و افزایش آن در لایه های درونی است که در کل باعث کاهش انرژی سطح می شود. شبیه سازی دینامیک مولکولی در مقیاس نانو زمان بر است. از این رو تجزیه و تحلیل این مسائل از دید نظری بسیار مهم است. در ادامه انرژی سطح به کمک مدل مکانیک محیط های پیوسته تحلیل و بررسی شد. نمودار انرژی سطح وابسته به اندازه و نمودار توزیع چگالی انرژی سطح برای نانوصفحات طلا، نقره وآهن به کمک روابط تحلیلی به دست آمده از مدل محیط پیوسته پیش بینی گردید و نشان داده شد که با نتایج حاصل از شبیه سازی هم خوانی خوبی دارد. نتایج به دست آمده بیان گر صحت و دقت مدل تحلیلی محیط پیوسته برای انرژی سطح وابسته به اندازه هستند. کلمات کلیدی: انرژی سطح وابسته به اندازه، نانوصفحات فلزی، شبیه سازی دینامیک مولکولی، مکانیک محیط های پیوسته

ارتقاء امنیت وب با وف بومی