SUPERVISOR
عزت کشاورزی (استاد راهنما) محمد کمالوند (استاد مشاور)
STUDENT
Ameneh Taghizadeh Kejani
آمنه تقی زاده کجانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385
TITLE
Studying the Structure and Surface Properties of Fluids around Cylindrical and Spherical Nanoparticles in Nanofluids and Investigation of Population Inversion Phenomenon for Binary LJ Mixtures Confined in Nanoslit Pores: A Density Functional Theory Study
In this thesis,we study the structure and surface properties of fluids around cylindrical and spherical nanoparticles and the effects of confinement on the population distribution of mixtures confined into nanoslit pores using density functional theory. In the first part,we investigate the structure of nanolayers around cylindrical naoparticles .Our results show that in the absence of any long-range fluid-fluid interactions, the structure of hard sphere fluids is determined by entropy effects. In this manner increasing curvature decreases the tendency of the molecules to accumulate at the walls such that contact densities at the flat wall and edges have their maximum and minimum values respectively. But in the case of fluids with long-range interactions, energy effects originated from cutting off of some intermolecular interactions can essentially change the structure of fluids around nanoparticle. Performed calculations show that when intermolecular attractions are strong enough,tendency of the molecules to accumulate at the walls increases with curvature such that molecules show their maximum tendency to accumulate at the edges.In other part of this thesis,we have studied effects of parameters such as nanoparticle size,density and temperature on the behavior of interfacial tension of fluids around spherical nanoparticles for different kinds of fluid-fluid and nanoparticle-fluid interactions. Our obtained results show that the sign and qualitative behavior of interfacial tension depends on kind of nanoparticle-fluid interactions. Interfacial tension of fluids around hard spherical nanoparticles is always positive and decreases with nanoparticle size. But the behavior of interfacial tension of fluids around attractive spherical nanoparticles can be essentially different. In fact for these systems, interfacial tension may be positive or negative and may increase or decrease with curvature depending on the nanoparticle–fluid interaction strength and thermodynamic state.Finally in this thesis we investigate the effects of confinement on the population inversion of binary Lennard-Jones mixtures inside nanoslit pores for both vapor and liquid phases. It has been shown that in the case of bulk liquid mixtures,energy and entropy effects can lead to population inversion phenomenon in which component 2 with less bulk concentration is preferentially adsorbed into the nanopore. In fact adsorption of 2 species molecules with weaker intermolecular interactions and larger size is favored by energy and entropy effects. Therefore decreasing parameters such as intermolecular interaction strength of 2 species molecules, temperature and nanopore size is accompanying with selective adsorption of component 2 due to energy effects.Studying vapor Lennard-Jones mixtures shows that variation of mentioned parameters can lead to conditions in which capillary condensation is accompanying with population inversion.
این پایان نامه به مطالعه ساختار و خواص سطحی سیالات پیرامون نانوذرات استوانه ای و کروی و همچنین اثرات محدودیت بر توزیع جمعیت سیالات مخلوط محدود شده داخل نانوحفره های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی اختصاص یافته است. در بخش نخست این پایان نامه ساختار سیالات اطراف نانوذره استوانه ای به عنوان مدلی از ساختار نانولایه ها پیرامون نانوذرات در نانوسیالات با درنظر گرفتن نقش دو عامل آنتروپی و انرژی مورد مطالعه قرار گرفته است. با بررسی ساختار سیالات اطراف نواحی مختلف یک نانوذره استوانه ای می توان تأثیر انحنای دیواره بر ساختار نانولایه ها را مورد ارزیابی قرار داد. نتایج نشان می دهند که در نبود هرگونه برهم کنش جاذبه سیال-سیال، چگونگی تأثیر انحنای دیواره نانوذره بر ساختار سیال کره سخت پیرامون آن به وسیله عامل آنتروپی تعیین می گردد. از این رو تمایل مولکول های کره سخت برای تجمع در همسایگی دیواره نانوذره با افزایش انحنای آن کاهش می یابد به گونه ای که چگالی در نقاط برخورد با دیواره تخت نانوذره بیشینه و درگوشه های نانوذره کمینه است. نتایج نشان می دهد که عامل انرژی ناشی از نادیده گرفته شدن سهمی از برهم کنش های جاذبه بین مولکولی برای سیالات دارای برهم کنش های بلندبرد، می تواند ساختار سیالات پیرامون مناطق مختلف نانوذره را دستخوش تغییرات اساسی کند. درحقیقت ساختار سیالات دارای برهم کنش های بلندبرد پیرامون نواحی مختلف یک نانوذره استوانه ای از رقابت دو عامل انرژی و آنتروپی تعیین می گردد. محاسبات نشان می دهند که هنگامی که برهم کنش های جاذبه بین مولکول های سیال بسیار قوی است، تمایل مولکول ها برای تجمع در همسایگی دیواره با افزایش انحنای دیواره بیشتر شده تا جایی که احتمال حضور مولکول ها در مناطق گوشه ای به مقدار بیشینه خود می رسد. در بخش دیگری از این پایان نامه تأثیر نوع برهم کنش های سیال-سیال و سیال- نانوذره بر تغییرات کیفی کشش سطح مشترک سیالات پیرامون نانوذرات کروی با پارامترهای مختلفی همچون اندازه نانوذره، چگالی و دما مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج محاسبات نشان می دهند که علامت و رفتار کیفی کشش سطح مشترک به نوع برهم کنش های سیال-نانوذره وابسته است. کشش سطح مشترک سیالات درتماس با نانوذرات کروی سخت همواره دارای یک مقدار مثبت بوده و با افزایش اندازه نانوذره کاهش می یابد. اما رفتار کیفی کشش سطح مشترک برای سیالات پیراموننانوذرات کروی جاذب متفاوت است. درحقیقت کشش سطح مشترک در این سامانه ها هریک از مقادیر مثبت، منفی یا صفر را اختیار کرده و بسته به قدرت برهم کنش های جاذبه سیال-نانوذره و حالت ترمودینامیکی سامانه می تواند دارای روند افزایشی یا کاهش با اندازه نانوذره باشد. درنهایت دراین پایان نامه اثرات محدودیت بر وارونگی جمعیت مخلوط های دوتایی سیالات لنارد-جونز مایع و گازی محبوس شده داخل نانوحفره های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعه سیالات لنارد-جونز مایع نشان می دهد که اثرات انرژی و آنتروپی می توانند با جذب ترجیحی گونه دوم با غلظت بسیار کم در سیال توده به پدیده وارونگی جمعیت در این سامانه ها منجر گردند. درحقیقت جذب گونه دوم با برهم کنش های بین مولکولی ضعیف تر و اندازه بزرگ تر نسبت به گونه اول از دیدگاه انرژی و آنتروپی مطلوب تر است. بنابراین کاهش دادن پارامترهایی از قبیل قدرت برهم کنش های بین مولکولی ، دما و اندازه نانوحفره به واسطه عامل انرژی با جذب انتخابی گونه دوم همراه است.