Skip to main content
SUPERVISOR
Ezat Keshavarzi
عزت کشاورزی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Parisa Aghajani
پریسا آقاجانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

A study of the structure and selective adsorption of binary hard-sphere mixtures inside and outside a nanopipette using classical density functional theory
While fluids in spaces with macroscopic dimensions are homogeneous, having the same density all around the space occupying, fluids in nanopores are inhomogeneous. This characteristic of the fluid in nanopores grant them special applications. In this thesis, the structure of a binary hard-sphere mixture inside and outside a nanopipette (a nanopore constructed of a truncated cone part and a cylindrical part) as well as its adsorption is studied in different conditions of bulk density, mole fractions, the ratio of the larger type fluid (type b) to the smaller type (type a), which will be called a and the redius of nanopipette tip. First, the structure of the binary mixture of the two species with equal mole fractions, inside and outside a nanopipette was studied and it was observed that the density functions of both species inside the nanopipette has larger height and depth of oscillations than the density functions of the the species outside the nanopipette. So the fluid is said to be more inhomogeneous inside the the nanopipette than outside it. Moreover, the density at the wall of the nanopipette, called contact density, is noticeably larger than points far from the wall, due to the entropy effect. Outside the nanopipette the inhomgeneity exists only in a distance of two or three times the molecular diameter of the species and beyond this length, the density is constant. The contact densities of the species are controlled by the type and radius of the wall curvature. Nanopipette wall has two concave and convex sides. The outer surface of the wall is convex and the inner surface of the wall is concave. Densities at concave surfaces are greater than those at convex surfaces. Among concave surfaces, densities at those with higher radius are greater. The most concave region in the nanopipette is the inner surface at the joint between the truncated cone part and the cylindrical part and as expected the highest contact density was observed in this region. In a few molecular diameter of species above this region, the structure of the fluid is repeated due to the same radius of curvature of the wall. Investing the effect of the bulk density on the structure of the two species inside the nanopipette, it was observed that higher bulk densities cause more inhomogeneity inside the nanopipette. Also, the difference between contact densities of the two species inside and outside the nanopipette increase with bulk density. Studying the effect of a on structure and adsorption of the binary mixture with equal mole fractions revealed that increasing a causes more inhomogeneity and contact densities, but causes a decrease in adsorption of larger molecules and the reverse change happens in the adsorption of the smaller molecules with increasing a. Furthermore, the density of type b at the nanopipette tip increases due to an increase in forbidden space. The next study was done to investigate the effect of a on structure and adsorption of a binary mixture with unequal mole fractions. The results indicated that due to a low density of type b, the contact density of b is lower and the large size of b molecules and the consequent increase in forbidden space cannot increase the contact density of larger molecules. Adsorption data also presented that increasing a results in a decrease in adsorption of larger molecules. Finally, the effect of the radius of the nanopipette tip on the structure and adsorption of the binary mixture with unequal mole fractions was studied. It was observed that there is a competition between two factors of the radius of the tip and the slope of the conical region wall of the nanopipette, creating a minimum in the diagram of adsorption vs. a. On the other hand, the adsorption of type a increases with a in an oscillating manner.
از آنجایی که سیالات محبوس در فضاهایی با ابعاد نانومتری ساختار (تابع چگالی) متفاوتی از سیالات ماکروسکوپی دارند و امروزه تکنولوژی نانو برای ساخت ابزارهای نانومتری در حال تکامل است، توجه محققین حوزه سیالات نیز به شناخت وسیع‌تر رفتار سیالات محبوس شده در ابعاد نانو معطوف شده است تا بتوان از فواید خواص ویژه سیالات محدود شده در زمینه‌های کاربردی بهره‌مند شد. در این پایان‌نامه، نانوحفره‌ای به شکل نانوپیپت که از دو قسمت استوانه‌ای و مخروط بریده شده تشکیل شده است، برای مطالعه ساختار و جذب انتخابی مخلوط دوتایی سیال کرات سخت در نظر گرفته شد. در این راستا ابتدا ساختار مخلوط دوتایی سیال کرات سخت با قطرهای مولکولی متفاوت و کسرهای مولی برابر، درون و بیرون نانوپیپت بررسی و مشاهده شد که تابع چگالی گونه a و گونه‌ی با قطر مولکولی بزرگترِ b در درون نانوپیپت دارای شدت نوسانات شدیدتری نسبت به بیرون آن هستند که به ناهمگنی بیشتر سیال a و سیال b درون نانوپیپت نسبت به بیرون آن تعبیر می‌شود. هم‌چنین چگالی در سطح تماس با دیواره درون و بیرون نانوپیپت به دلیل اثر انتروپی بیشتر از نقاط دیگر است. در بیرون نانوپیپت ناهمگنی تا چند قطر مولکولی ادامه می‌یابد و سپس ساختار همگن می‌شود. چگالی گونه‌ها در نقاط تماس با سطوح مختلف دیواره نانوپیپت تحت تأثیر نوع و میزان انحنای دیواره است. دیواره نانوپیپت از دید انحنا دارای سطوح محدب و مقعر است. سطح بیرونی محدب و سطح داخلی مقعر است. چگالی در نقاط تماس با سطوح مقعر بیشتر از چگالی در نقاط تماس با سطوح محدب است. علاوه بر این چگالی در نقاط تماس با سطوحی که تقعر بیشتر یا تحدب کمتری دارند، بیشتر است. مقعرترین قسمت نانوپیپت سطح داخلی دیواره نانوپیپت در محل اتصال مخروط به استوانه است که بیشترین مقدار چگالی هر گونه نیز در این نقطه مشاهده می‌شود. درون قسمت استوانه‌ای از فاصله چند قطر مولکولی از محل اتصال مخروط به استوانه به بعد، به دلیل ثابت بودن تقعر، ساختار سیال نیز یکسان می‌شود. در مخلوط دوتایی سیال کرات سخت، با کسرهای مولی برابر، ساختار سیال b تحت اثر انتروپی تعیین می‌شود و گونه a فضاهای خالی را اشغال می‌کند، در نتیجه چنان که اثر انتروپی باعث می‌شود چگالی گونه b در نقاط تماس با سطح خارجی دیواره نانوپیپت، کمتر از چگالی آن در نقطه تماس با سطح داخلی دیواره نانوپیپت است و گونه a در نقطه تماس با سطح خارجی دیواره نانوپیپت بیشتر از نقاط تماس با سطح داخلی دیواره نانوپیپت تجمع می‌یابد. در بخش بعد، به بررسی اثر چگالی بر ساختار مخلوط دوتایی سیال کرات سخت درون نانوپیپت پرداخته و مشاهده شد که چگالی کل بیشتر سیال، موجب ناهمگنی بیشتر سیال درون نانوپیپت می‌شود. هم‌چنین اختلاف چگالی گونه‌ها در نقاط تماس با سطح داخلی و خارجی دیواره با افزایش چگالی هرگونه، افزایش می‌یابد. در بررسی اثر نسبت قطر مولکولی دو گونه ( ) بر ساختار و جذب مخلوط سیال کرات سخت با کسرهای مولی برابر درون نانوپیپت مشاهده شد که در کسرهای مولی برابر، افزایش باعث افزایش ناهمگنی گونه‌ها درون نانوپیپت و افزایش چگالی در نقاط تماس با سطح داخلی دیواره نانوپیپت می‌شود، ولی همواره جذب گونه b کاهش و جذب گونه a افزایش می‌یابد. هم‌چنین چگالی گونه b در سطح داخلی دیواره نانوپیپت در قسمت دهانه، با افزایش افزایش می‌یابد که نشان دهنده افزایش فضای ممنوعه در این نقطه بر اثر افزایش است. در بخش بعد اثر بر ساختار و جذب مخلوط دوتایی سیال کره سخت با کسرهای مولی نابرابر مورد بررسی قرار گرفت. در این مورد مشاهده شد که به دلیل کم بودن چگالی b، اندازه بزرگتر ذره و افزایش فضای ممنوعه در قسمت دهانه نمی‌تواند موجب افزایش چگالی گونه b در نقطه تماس با سطح داخلی نانوپیپت گردد. داده‌های جذب نیز نشان داد که با افزایش ، جذب گونه b همواره کاهش و جذب گونه a همواره افزایش می‌یابد. در پایان اثر قطر دهانه نانوپیپت بر ساختار مخلوط دوتایی سیال کرات سخت با کسرهای مولی نابرابر بررسی و مشاهده شد که رقابتی بین شیب دیواره قسمت مخروطی و شعاع دهانه ورودی نانوپیپت وجود دارد که موجب پدید آمدن یک مینیمم در نمودار جذب بر حسب می‌شود، اما جذب گونه a با افزایش شعاع دهانه نانوپیپت رفتار نوسانی دارد و همواره افزایش می‌یابد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی