دانشگاه آزاد اسلامی
واحد رشت
دانشکده علوم پایه
گروه آموزشی شیمی
پایان نامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
رشته: شیمی آلی
عنوان:
مطالعه نظری 5-آمینولوولینیک اسید با نانولولههای کربنی
به عنوان حاملهای انتقال دارو
استاد راهنما:
دکتر مجید کیا
استاد مشاور:
دکتر حسین فلاح باقر شیدایی
نگارش:
کوثر محجوب
زمستان 92
تقدیرو سپاس
حال که به حول و قوه الهی، انجام این پژوهش به پایان رسیده است، جا دارد از تمامی کسانی که در مراحل مختلف انجام آن مرا یاری نموده اند، بدینوسیله تقدیر و تشکر نمایم:
در ابتدا از زحمات راهنمای فرهیخته و بزرگوارم جناب آقای دکتر مجید کیا که با رهنمودهای ارزنده خود راهگشای اینجانب در به انجام رساندن این پایان نامه بودند و وقت ارزشمندشان را بدون هیچ محدودیتی در اختیار بنده قرار دادند بی نهایت سپاسگزارم. همچنین از استاد فرهیخته و گرانقدر جناب آقای دکتر حسین فلاح باقر شیدایی که مشاوره این پایان نامه را قبول زحمت کردند و بنده افتخار استفاده و بهره مندی از علم ودانش بسیار ایشان را داشته ام، کمال تشکر را دارم.
در پایان از تمامی دوستان، کارشناسان و همه عزیزانی که بنده را در پیمودن این راه یاری دادند صمیمانه تشکر می کنم و از خداوند منان برایشان آرزوی توفیق و سربلندی دارم.
تقدیم به:
پشتوانه های همیشگی ام
پدر و مادر عزیز و مهربانم
آنان که سالهاست با دست های پر مهرشان،
سختی راه را بر من هموار کرده اند.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیدهآ
فصل اول: مقدمه1
1-1) مقدمه2
1-2) فناوری نانو4
1-3) تاریخچه نانوتکنولوژی4
1-4) نانولوله های کربنی5
1-5) فولرن8
1-6) ساختمان فولرن9
1-7) شیمی فولرن ها9
1-8) خواص و کاربردهای فولرن ها11
1-8-1) استحکام مکانیکی: به عنوان تقویت کننده در نانو کامپوزیت ها11
1-8-2) خاصیت روان سازی بالا: روان کاری در مقیاس نانومتری11
1-8-3) حساس در برابر نور: کاربردهای فوتونیک11
1-8-4) ساختاری توخالی: مکانی جهت قرارگیری عناصر12
1-8-5) خواص زیست سازگاری: دارو رسانی12
1-9) مزایا و معایب فولرن ها12
1-10) روش های تولید و فرآوری فولرن ها12
1-11) انواع نانولوله های کربنی13
1-11-1) نوع صندلی14
1-11-2) نوع زیگزاگی15
1-11-3) نوع نامتقارن15
1-12) خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانولوله ها16
1-13) فرآیندهای تولید نانولوله16
1-14) كاربرد نانولوله‌ها16
1-14-1) به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت ها17
1-14-2) حسگرها18
1-14-3) حافظه‌هاي نانولوله‌اي19
1-14-4) ترانزیستورها19
1-14-5) استفاده در نمایشگرهای تشعشع میدانی20
1-14-6) كاربرد نانولوله در صنعت ساختمان21
1-14-7) قابلیت ذخیره سازی22
1-14-8) استفاده از نانولوله های تک دیواره در صنعت الکترونیک23
1-14-9) سازگاری زیستی24
1-15) نانولوله ها ی کربنی در پزشکی25
1-16) تشخيص دقيق بيماري در مراحل اوليه26
1-17) نانولوله های کربنی و کاربرد آنها در تشخیص سرطان26
1-18) نشانگرهای زیستی27
1-19) کاربرد نانولوله های کربنی در تشخیص مولکول ها28
1-20) نانولوله های بورنیترید28
1-21) شیمی نانولوله های بورنیترید و خالص سازی آنها29
1-22) 5-آمینولوولینیک اسید30
1-23) گلیسین31
فصل دوم: مروری برکارهای گذشته33
2-1) درمان هدفمند سرطان کبد بر پایه نانولوله کربنی مبتنی بر سیستم دارورسانی به داخل بدن34
2-2) تجزیه و تحلیل محاسباتی از وارد کردن نانولوله های کربنی به غشای سلولی34
2-3 ) مطالعه تابعی چگالی فلوئور انتهایی بر روی نانولوله های بورنیترید35
2-4) اثر ناخالصی بر خواص الکتریکی نانولوله های کربنی35
2-5) مطالعه نظری ab initio بر عملکرد نانولوله های تک دیواره به عنوان جاذب مولکولی36
2-6) مطالعه نظری کاتیون فلزهای قلیایی بر روی نانولوله های کربنی36
2-7) مطالعه ي نظري اثر طول و قطر نانولوله هاي كربني بر واكنش هاي اپوكسيددار شدن37
2-8) اثر جذب هیدروژن اتمی بر خواص نانولوله های کربنی تک دیواره37
2-9) بررسي كوانتوم مكانيكي ab initio برهمكنش متان با سطوح گرافيتي و نانولوله تك لايه38
2-10) خواص الکتریکی نانولوله کربنی تک دیواره و گرافیت- مطالعه تابعی چگالی38
2-11 مطالعه ab initio بازسازی نانونوارهای گرافن به شکل نانولوله به روش تابعی چگالی39
2-12) بهینه کردن نانولوله کربنی برای جذب گاز نیتروژن39
2-13) مطالعه جابجایی شیمیایی 13C NMR در نانولوله های کربنی دارای گروه عاملی به روش تابعی چگالی30
2-14) خواص الکترونیکی بلور حالت جامد fcc-C6041
فصل سوم: روش های محاسباتی42
3-1) مقدمه43
3-1-1) مروری بر شیمی محاسباتی43
3-1-2) شیمی انفورماتیک44
3-1-3) زیست انفورماتیک و شیمی انفورماتیک44
3-2) مکانیک مولکولی45
3-3) روش های ساختار الکترونی47
3-4) روش های پر کاربرد48
3-4-1) روش میدان خودسازگار هارتری فاک49
3-4-2) روش تابع چگالی51
3-5) لایه باز و لایه بسته51
3-6) مجموعه های پایه52
3-6-1) مجموعه های پایه حداقل: 6) > N> STO-NG(353
3-6-2) مجموعه های پایه کوچک یا مجموعه پایه ظرفیتی شکافته شده53
3-6-3) مجموعه های پایه بزرگ یا قطبیده53
3-6-4) مجموعه های پایه حداکثر یا پایه نفوذی54
3-6-5) مجموعه پایه زتای دوگانه LANL2DZ(Double zeta)55
3-6-6) مجموعه پایه زتای سه گانه TZV(Triple zeta)55
3-6-7) مجموعه پایه LAN2MB55
3-7) گوسین56
3-8) HOMO و LUMO57
3-8-1) قطبش پذیری – سختی و نرمی58
فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری60
4-1) روش انجام کار61
4-2) انرژی اتصال69
4-3) محاسبات طول پیوند71
4-4) محاسبات زاویه73
4-5) بارهای اتمی76
4-6) ممان دوقطبی79
4-7) محاسبات خواص بنیادی80
4-8) شکاف بین HOMOو LUMO83
بحث و نتیجه گیری95
منابع96
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1) پیشرفت های ایجاد شده از طریق ابزارهای پیشرفته پزشکی در تشخیص و درمان3
شکل1-2) ساختار بلوری گرافیت6
شکل1-3) شبکه بلوری الماس6
شکل1-4) نمایی از نانو لوله کربنی7
شکل1-5) مولکول C607
شکل1-6) نمایی از نانولوله چند لایه14
شکل1-7) نمایی از نانولوله های زیگزاگی ، صندلی و نامتقارن15
شکل1-8) نانولوله ها جهت استحکام دهی17
شکل1-9) زیست حسگرها18
شکل1-10) نمایشگر تشعشع میدانی20
شکل1-11) ذخیره سازی اتم ها در نانولوله ها23
شکل1-12) نمایی از ساختارهای نانولوله های کربنی و نانولوله های بورنیترید تک لایه29
شکل1-13) ساختار شیمیایی 5-آمینولوولینیک اسید31
شکل1-14) ساختار شیمیایی گلیسین31
شکل4-1) ساختار بهینه شده مولکول های دارویی و نانولوله ها با استفاده از روش DFT/ B3LYP 6-31G(d)62
شکل4-2) ساختار بهینه شده نانولوله ها بعد از اضافه شدن مولکول های 5-آمینولوولینیک اسید و گلیسین با استفاده از روش DFT/ B3LYP 6-31G(d)65
شکل4-3) اوربیتال های HOMO (a) و LUMO (b) مولکول دارویی آمینولوولینیک اسید85
شکل4-4) طیف DOS مولکول دارویی آمینولوولینیک اسید85
شکل4-5) اوربیتال های HOMO (a) و LUMO (b) مولکول دارویی گلیسین86
شکل4-6) طیف DOS مولکول دارویی گلیسین86
شکل4-7) اوربیتال های HOMO (a) و LUMO (b) ساختار BNNT(8-0) and AVA NH287
شکل4-8) طیف طیف DOS نانولوله های BNNT(8-0) و BNNT(8-0) and AVA NH287
شکل4-9) اوربیتال های HOMO ((a و LUMO (b) ساختار BPNT(7-0) and AVA CO88
شکل4-10) طیف DOS نانولوله های BPNT(7-0)و BPNT(7-0) and AVA CO88
شکل4-11) اوربیتال های HOMO (a) و LUMO (b) ساختار CNT(5-5) and AVA OH89
شکل4-12) طیف DOS نانولوله های CNT(5-5) و CNT(5-5) and AVA OH89
شکل4-13) اوربیتال HOMO (a) و LUMO (b) ساختار CNT(5-5) Al and AVA OH90
شکل4-14) طیف DOS نانولوله های CNT(5-5) Al و CNT(5-5) Al and AVA OH90
شکل4-15) اوربیتال HOMO (a) و LUMO (b) ساختار CNT(5-5) AL and AVA CO91
شکل4-16) طیف DOS ساختار CNT(5-5) Al and AVA CO91
شکل4-17) اوربیتال HOMO (a) و LUMO (b) ساختار CNT(5-5) Al and AVA NH292
شکل4-18) طیف DOS ساختار CNT(5-5) Al and AVA NH292
شکل4-19) اوربیتال HOMO (a) و LUMO (b) ساختار BNNT(8-0) and GLY(end)93
شکل4-20) طیف DOS ساختار BNNT(8 0) and GLY(end)93
شکل4-21) اوربیتال HOMO (a) و LUMO (b) ساختار BNNT(8-0) and GLY(surface)94
شکل4-22) طیف DOS ساختار BNNT(8-0) and GLY(surface)94

چکیده
کاربرد فناوری نانو در شیمی، فیزیک، الکترونیک و رایانه، در حال تکامل و توسعه است. در این بین پژوهش بر روی کاربردهای پزشکی فناوری نانو، به دلیل توانایی های این علم جهت درمان بیماری های خاص و تولید داروهای جدید در سال های اخیر قوت یافته است. توانایی یک نانولوله برای انتقال دارو به قطر آن و جهت گیری مولکول های وارد شونده بستگی دارد. در این تحقیق ابتدا نانولوله های کربنی، بورنیترید و بورفسفر با کایرالیته (5,5) و (8,0) و (7,0) و مولکول های دارویی 5-آمینولوولینیک اسید و گلیسین با نرم افزار Nanotub modeler ترسیم و به روش DFT/ B3LYP، تابع پایه 6-31G(d)و با استفاده از نرم افزار گوسین 09، بهینه شدند. با قرار دادن مولکول های دارویی بر روی نانولوله ها، ساختارهای ایجاد شده بهینه گردیدند. سرانجام مطالعاتی بر روی طول پیوندها، زوایای پیوندی، بارهای اتمی، ممان دوقطبی، شکاف بین HOMO وLUMO، انرژی های پیوند، پتانسیل یونش، سختی، نرمی، الکترون خواهی و پتانسیل شیمیایی مولکول های دارویی قبل و بعد از قرار گرفتن بر روی نانولوله ها مورد مطالعه قرار گرفتند. تعدادی از ساختارهای بهینه شده با این روش رسانایی و جذب شیمیایی خوبی را نسبت به استفاده از حالت آزاد داروها از خود نشان دادند.
واژگان کلیدی: گوسین- نانولوله کربنی- آمینولوولینیک اسید- گلیسین- نظریه تابع چگالی

1-1) مقدمه
امروزه نانوتكنولوژي1 ، موضوع جذابي است که به سبب خواص ویژه و پتانسیلهای کاربردی این مواد، نظر دانشمندان، صنعتگران و حتي افراد عادي جامعه را نيز به خود جلب كرده است. با توجه به کاربردهای وسيع نانولوله هاي کربني، روشهاي توليد انبوه اين دسته از مواد داراي اهميت فوق العادهاي ميباشند. رشد و توسعه روز افزون علم، قابلیتها و مزایای استفاده از این مواد را در بخشهای مختلف زندگی به اثبات رسانده است. هر چند کشف نانولوله های کربنی2 تصادفي بوده اما موجب انقلابی در فناوری شده است. انتظار مي رود همان طور كه فناوری مرتبط به سیلیکون، اکنون مورد توجه است، در آینده نیز نانولوله هاي کربنی فراگیر شوند.
روشهاي مختلفي برای توليد نانولولههای کربني وجود دارد که هر کدام مزايا و محدوديت هايي دارند. انتخاب روش توليد بهينه، امر سادهاي نيست چرا که معيارهاي کمي و کیفی زیادی برای این انتخاب وجود دارند که مقايسة آنها با يکديگر را تا حدی دشوار میکند. با این وجود روشی که امروزه نظر دانشمندان را بسیار به خود جلب کرده، روش رسوب دهی بخار شیمیایی میباشد. از دیگر مواردی که برای محققین اهمیت بسیار دارد یافتن کاربردهای CNT ها در زمینههای مختلف و با توجه به خواص ویژه آنهاست. از جمله این موارد، کاربرد این مواد در علم پزشکی است. متابوليسم در سطح مولكولي و سلولي رخ مي دهد. هرچند به نظر مي رسد دانش بشر دربارة اين فرآيندهاي پيچيده هر سال بيشتر مي شود اما باز هم اين فرآيندها به طور كامل شناخته نشده اند تا بتوان بيماري ها را در مراحل بسيار اوليه شكل گيري تشخيص داده و به طور مؤثري از آن پيشگيري و يا درمان نمود. در روش هاي پزشكي جاري، درمان وقتي شروع مي شود كه بيماري كاملاً آشكار شده و علائم قطعي آن هم بروز كرده باشد .در بسياري موارد هم درمان امكان پذير نبوده چون بیماری در تمام بدن پخش و سيستم بازسازي دروني بدن را دچار آسيب جدي می کند. علاوه بر اين ها تعداد زيادي از بيماران از اثرات جانبی داروها رنج مي برند و برخي نيز در اثر آن می میرند. همچنين تجويز بسياري از عوامل دارويي به بيماران به دليل نامحلول بودن و در نتيجه نبود فرمولاسيون مناسب براي آنها امكان پذير نيست. هم اكنون انتظارات زيادي نسبت به تأثيرات فناوري نانو در بخش پزشكي وجود دارد. به كمك ابزارهاي زيست تراشه ای بهبود يافته، داروهاي جديد و مؤثري كشف و ساخته خواهد شد. به عنوان مثال تراشه هاي پيچيده زيست سازگاري كه با قطعات غشايي يا سلول هاي زنده پوشانده شده اند، می توانند موجب تسريع تحقيق و آزمايش عوامل دارويي جديد شده و به پيشرفت كشف نشانگرهاي جديد تشخيص بيماري هاي خاص و نارسايی هاي مولكولي و متابوليكي کمک نماید. به طور خاص نانومواد عامل دار، فصل مشترك بين مادة زنده و ابزارهاي فني را تشكيل مي دهد.

1-2) فناوری نانو
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که علوم گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتاً متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانشی میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می شود. نانو کلمه ای یونانی به معنی کوچک است و معنی یک میلیاردم یا 9-10 یک کمیت. چون یک اتم تقریباً 10 نانومتر است، این اصطلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکار برده می شود. نانوتکنولوژي مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنها است. هدف اصلی اکثر تحقيقات نانوتکنولوژی شکل دهي ترکيبات جدید يا ايجاد تغييراتي در مواد موجود است.
1-3) تاریخچه نانوتکنولوژی
در سال 1991 دانشمندی به نام سومیو ایجیما3 (از شرکت NEC ژاپن) به طور کاملاً اتفاقی، ساختار دیگری از کربن را کشف و تولید کرد. با توجه به شکل آن، محصول تولید شده را نانولوله کربنی نامید. در یک نانولوله کربنی، اتمهای کربن در ساختاری استوانهای آرایش یافتهاند. آرایش اتمهای کربن در دیواره این ساختار استوانهای، دقیقاً مشابه آرایش کربن در صفحات گرافیت است. هنگامی که صفحات گرافیت در هم پیچیده میشوند، نانولولههای کربنی را تشکیل میدهند. در واقع، نانولوله کربنی، گرافیتی است که در مقیاس نانو و به شکل لوله در آمده باشد ]1[.
در تكنولوژی نانو اولين اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی واکنش پذيري نانوذرات را به شدت افزایش می دهد. علاوه بر اين افزايش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده و منجر به تغيير فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود.
1-4) نانولوله های کربنی
کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تأیید میکند. به عنوان مثال فولاد به عنوان یکی ازمهمترین آلیاژهای مهندسی، از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن حاصل میشود و با تغییر درصد کربن (به میزان تنها چند صدم درصد) میتوان انواع فولاد را به دست آورد. «شیمی آلی» نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی «کربن» و «هیدروژن» میپردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایه گذاری شده است.گرافیت، الماس، نانولولهها و باکی بال ها از اشکال متفاوت کربن هستند که در طبیعت یافت میشوند. هرچهار مورد به فرم جامد بوده و در ساختار آنها اتمهای کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. عنصر کربن به طور خالص در طبیعت به دو صورت یافت می شود که گرافیت نوع غالب آن و الماس نوع دیگر آن هستند. گرافیت که ماده بسیار نرمی است، دارای شبکه بلوری اصلی می باشد که در آن اتم های کربن با یکدیگر نوعی شبکه هگزاگونالی می سازند. این حالت، در صفحات قاعده، شش اتم کربن وجود دارند. نوع پیوند اتمی در این شبکه بلوری از انواع واندروالسی (بین صفحات) و کوالانسی (بین اتم های کربن موجود در هر صفحه) می باشد، در اثر این دگرگونی پیوندها، اتصال بین صفحات قاعده ضعیف شده و خواص معروف این ماده ( مانند نرمی و….) ظاهر می شوند [2]. ساختار بلوری گرافیت در شکل زیر دیده می شود.

الماس که شکل دیگری از کربن است ماده ای بسیار سخت می باشد. این ویژگی الماس از شبکه بلوری مکعبی ویژه آن و پیوند بسیار محکم بین اتم ها، همچنین تراکم بالای این نوع ساختار ناشی می شود.

امروزه اشکال بلوری کربن به دو مورد فوق خلاصه محدود نبوده بلکه نانوتکنولوژی که علم چینش اتم ها به شکل دلخواه برای دسترسی به خواص مورد نظر است، امکان تولید ساختارهای اتمی دیگری از کربن را فراهم می سازد. در این بین معروف ترین و پر کاربردترین ساختار اتمی ایجاد شده با نانوتکنولوژی، CNT نام دارد.

البته نوع معروف دیگری از فراورده کربنی تولید شده با نانوتکنولوژی، با نام فولرن4 در دسترس است. در ساختار اتمی فولرن ها به جای شش ضلعی های منظم موجود در گرافیت، از مجموعه ای از شش ضلعی ها و پنج ضلعی های کربنی منظم که به صورت یک در میان کنار هم قرار گرفته تشکیل شده است. معروف ترین و در عین حال پایدارترین ساختاری که از فولرن ها تولید شده، C60 می باشد.

1-5) فولرن
در سال 1970 دانشمندی به نام اوساوا 5در تحقیقاتش راجع به ساختارهای کربنی موجود در طبیعت، یک مولکول کربنی C60 را با ساختاری شبیه توپ فوتبال متصور شد. تا این که در سال 1984 در اثر تبخیر لیزری گرافیت، خوشه های بزرگ کربنی Cn، در آزمایشگاه مشاهده شد(n مقادیری بین 30 تا 90) دارد.
کشف اصلی فولرن در سال 1985 رخ داد. در این سال سه دانشمند به نام های رابرت اف6 ، هارولد کوروتو7 و ریچارد اسمالی8، بر روی فرآیندی برای تولید کلاستر های کربنی ستاره ای شکل مطالعه می کردند. این روش با متمرکز کردن لیزر روی یک گرافیت انجام شد. این کشف نشان داد که 60، 70 یا تعداد بیشتری اتم کربن می توانند با هم به صورت خوشه تجمع کنند و مولکولی قفس مانند بسازند. با این آزمایش ها و بررسی طیف سنجی آزمایش های طیف سنجی فراورده های تولید شده، مولکول های C60 در مواد تولید شده کشف شدند. این مولکول به علت شباهتی که با ساختار توصیف شده توسط معمار معروف، باک مینسترفولر9 داشت، به این نام نامیده شد. دانشمندان مذکور به خاطر این کشف در سال 1996 جایزه نوبل سال را دریافت نمودند. در سال 1990 ولفگانگ10، دنوالد هافمن11 و همکارانش، توصیفی از نخستین روش علمی C60 ارائه دادند [3]. باکی بال مولکولی از 60 اتم کربن (C60) به شکل یک توپ فوتبال است. در اندک زمانی، فولرن های دیگری کشف شدند که از 28 تا چند صد اتم کربن داشتند. با این حال C60 ارزان ترین و در دسترس ترین آنها می باشد. لغت فولرن کل مجموعه مولکول های تو خالی کربنی را که دارای ساختارهای پنج ضلعی و شش ضلعی می باشند، پوشش می دهد. نانولوله های کربنی که از لوله شدن صفحات گرافیتی با آرایش شش ضلعی ساخته می شوند در صورت مسدود شده از دو انتهای لوله، خویشاوند نزدیک فولرن به حساب می آیند [3].
1-6) ساختمان فولرن
فولرن از شبکه پنج گوشه ها و شش گوشه ها تشکیل شده است. یک فولرن برای آنکه به صورت یک شکل کروی بسته شود، باید دقیقاً 12 وجه پنج گوشه داشته باشد، ولی تعداد وجه های شش گوشه می تواند به طور گسترده ای تغییر کند. ساختمان C60، دارای 20 وجه شش گوشه است. هر کربن فولرن، دارای هیبرید sp2 است و با سه اتم دیگر، پیوندهای سیگما تشکیل می دهد. الکترون باقیمانده در هر کربن، درون سیستمی از اوربیتال های مولکولی در حال گردش است که به کل مولکول، ماهیت آروماتیکی می بخشد [3].
1-7) شیمی فولرن ها
شیمی فولرن ها حتی از سنتز آنها جالب تر است. فولرن ها دارای الکترون خواهی بالایی بوده و به راحتی از فلزات قلیایی الکترون پذیرفته، یک فاز جدید(نمک باکید) ایجاد می کنند. یکی از این نمک ها، K3C60 یک بلور فلزی پایدار است. این ترکیب در صورت سرد شدن تا دمای 18 درجه کلوین به یک ابر رسانا تبدیل می شود. حتی فولرن هایی سنتز شده اند که در داخل قفس اتم های کربن، حاوی اتم های فلز هستند. باکی بال ها از نظر فیزیکی مولکول هایی بیش از حد محکمی بوده و قادرند فشارهای بسیار زیاد را تحمل کنند، به طوری که پس از تحمل 3000 اتمسفر فشار به شکل اولیه خود بر می گردند. باکی بال های چند پوسته موسوم به نانو پیازها12، بزرگ تر هستند وقابلیت بیشتری برای استفاده به عنوان روان کننده دارند. این که باکی بال ها به خوبی به هم نمی چسبند، به این معنا نیست که در جامدات دیگر کاربرد ندارند. وارد کردن مقادیر نسبتاً اندک از آن در یک بستر پلیمری، موقعیتی برای آنها به وجود می آورد که بخشی از استحکام بالا و دانسیته پایین آن را به ماده حاصل می بخشد. فولرن ها درون نانولوله ها نیز قرار داده شده اند تا چیزی به نام غلاف نخود پدید آید [4]. اولین کار از این دست در اوایل 2002 در جنوب کره (دانشگاه ملی سئول) و آمریکا (دانشگاه پنسیلویا) به ترتیب با استفاده از C82 و C60 صورت گرفت. فولرن ها رفتار الکتریکی نانولوله ها را تغییر داده، مناطقی با خواص نیمه رسانایی مختلف را پدید می آورند. نتیجه می تواند مجموعه ای از ترانزیستورهای پشت سرهم در یک نانولوله باشد. با تغییر مکان فولرن ها می توان این خواص را تغییر داد. مواد مبتنی بر فولرن ها مصارف مهمی در قطعات فوتونیک دارند (فوتونیک معادل الکترونیک است با این تفاوت که در آن از نور به جای الکتریسیته استفاده می شود). خواص نوری غیرخطی را می توان با افزایش یک یا چند اتم فلزی در بیرون یا درون قفس فولرن ها ارتقاء داد. فولرن ها همچنین در نابودی رادیکال های آزاد که باعث آسیب بافت های زنده می شوند، مفیدند. از فولرن ها می توان به عنوان پیش سازی برای دیگر مواد، همچون روکش های الماسی یا نانولوله ها استفاده کرد و همچنین به طور محدود در تحقیقات بنیادی مکانیک کوآنتومی استفاده شده است، چون بزرگ ترین ذره ای هستند که در دوگانگی موج-ذره ماده دیده شده است [4].

1-8) خواص و کاربردهای فولرن ها
شکل و زیبایی فولرن ها و خواص شگفت انگیز آنها توجه بسیاری از دانشمندان را به خود معطوف کرده است. پایدارترین و فراوان ترین فولرن ها انواع C60 و C70 هستند. بنابراین بیشتر خواص ذکر شده در مورد فولرن ها نیز روی این دو نوع متمرکز شده است [5].
1-8-1) استحکام مکانیکی: به عنوان تقویت کننده در نانو کامپوزیت ها
فولرن ها از نظر مکانیکی مولکول های بسیار مستحکمی هستند که از این خاصیت در تولید نانوکامپوزیت ها استفاده شده است [5].
1-8-2) خاصیت روان سازی بالا: روان کاری در مقیاس نانومتری
مولکول های فولرن با پیوندهای ضعیف نیروهای واندروالس به هم متصل می شوند. این نیروهای نگهدارنده فولرن ها در کنار هم مشابه نیروهای موجود بین لایه های گرافیت است. بنابراین برخی از خواص فولرن ها مشابه خواص گرافیت می باشد. به طوری که از فولرن ها به جای گرافیت در کاربردهای روان کاری در مقیاس نانومتری استفاده شده است [5].
1-8-3) حساس در برابر نور: کاربردهای فوتونیک
فولرن ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند. بنابراین کاربردهای فوتونیک زیادی برای این مواد در آینده متصور شده است [5].
1­8­4) ساختاری توخالی: مکانی جهت قرار گیری عناصر
می توان درون مولکول های توخالی فولرن ها را با عناصر دیگر پر کرد. به گونه ای که با قرار دادن برخی عناصر فلزی درون فولرن ها خواص الکتریکی آن ها بهبود یافته است [3].
1­8­5) خواص زیست سازگاری: دارو رسانی
درون فولرن ها می توان برخی آنزیم ها و یا داروها و هورمون های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانو پزشکی می توان از این مواد استفاده نمود. در یکی از جدیدترین کاربردهای فولرن ها برای مبارزه با ویروس ایدز، آنزیم ضد این ویروس در درون فولرن ها جای داده و به درون بدن هدایت شده است [4].
1­9) مزایا و معایب فولرن ها
کم حلال بودن فولرن ها در سیالات، کاربرد این مواد را به عنوان مواد مؤثر دارویی محدود می کند. ولی میزان آبگریزی، سه بعدی بودن و خواص الکترونی آن باعث بکارگیری آن در امور پزشکی می شود. به عنوان مثال، شکل کروی آن ها باعث ایجاد توانایی و قرار گفتن مولکول های فولرن در محلول های آبگریز آنزیم ها یا سلول ها می شود و این عمل باعث ایجاد خواص دارویی می گردد [5].
1­10) روش های تولید و فرآوری فولرن ها
فولرن ها به مقدار اندکی در طبیعت، در حین آتش سوزی و صاعقه زدگی پدید می آیند. اغلب روش هایی که در تحقیقات مختلف برای تولید فولرن ها به کار می رود، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و یا فراورده حاصل از آنها خواص مطلوبی ندارد. برخی از روش های اقتصادی و بهینه برای تولید فولرن ها عبارتند از:
– حرارت دهی از طریق مقاومت الکتریکی
– حرارت دهی از طریق قوس الکتریکی
– حرارت دهی به روش القایی
– سنتز احتراقی فولرن ها
1­11) انواع نانولوله های کربنی
نانولولههای کربنی به دو دسته کلی نانولولههای کربنی تک دیواره13 و نانولوله های کربنی چند دیواره14 تقسیم می شوند. چنانچه نانولوله کربنی فقط شامل یک لوله از گرافیت باشد، نانولوله تک دیواره و اگر شامل تعدادی از لولههای متحد المرکز باشد نانولوله چند دیواره نامیده میشود. یک نانو لوله تک جداره از دو قسمت بدنه و در پوش با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل شده است. ساختار در پوش، مشابه یک فولرن کوچک و مرکب از حلقه های ۵ و ۶ ضلعی اتم کربن است که در کنار هم قرار گرفته اند و ساختاری گنبدی شکل را به عنوان در پوش ایجاد کرده اند. C60 همانند قسمت دیگر، بدنه استوانه ای شکل آن است که از یک صفحه گرافیتی تشکیل شده است. نانولوله تک جداره به دلیل خواص الکتریکی جالبش، نوع بسیار مهمی از نانولوله ها محسوب می شود. نانولوله های کربنی چند جداره از چند استوانه کربنی هم محور تو در تو ایجاد شده است که می توان آن را به صورت دسته ای از نانولوله های هم مرکز با قطرهای متفاوت در نظر گرفت. طول و قطر این ساختار ها در مقایسه با نانو لوله های تک جداره بسیار متفاوت بوده و دارای خواص متفاوتی نیز می باشند.

نانولوله های تكجداره نیز بر حسب آرایش اتم‌های كربنی مقطع لوله به سه دسته مهم صندلی15 و نامتقارن16 كه دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ17 كه خاصیت نیمه‌رسانایی دارد، تقسیم می شوند [6] .
1­11­1) نوع صندلی
در صورتی که اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روی هم قرار بگیرند، نانولوله نوع صندلی به دست می آید و در این حالت می توانیم بین این دو اتم یک خط مستقیم رسم کنیم که معادله آن «m=n» است. یعنی شماره ستون و ردیف هر یک از آنها با یکدیگر برابر است. در این حالت با یک بار گردش به دور نانولوله تعدادی صندلی پشت سرهم ایجاد می شود [6].

1­11­2) نوع زیگزاگی
برای ایجاد نوع زیگزاگی نانولوله اتم ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده شده را با خم کردن صفحه، به روی اتم ابتدایی انطباق می دهیم. برای اطمینان از درستی کار باید دقت کرد که درانتها، در راستای افقی یک خط شکسته زیگزاگ به دور نانولوله ایجاد شود [6].
1­11­3) نوع نامتقارن
این حالت مشابه روش صندلی می باشد، با این تفاوت که در مختصات اتم انتهایی، «m≠n» خواهد بود [6].

1­12) خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانولوله ها
نانولوله ها علی رغم برخورداری از قطر بسیار کم، استحکام کششی بالایی دارند. از دیگر خصوصیات آنها وجود پیوندهای واندروالس بین اتم ها و لذا توانایی پایین آن ها برای چسبیدن به یکدیگر در نانولوله فلزی و نیمه هادی، رسانایی در جهت طولی، رسانایی حرارتی و خاصیت نشر میدانی است [9-8-7].
1­13) فرآیندهای تولید نانولوله
به طور کلي براي توليد هر نانو ذره يکي از دو روش توليد بالا به پایين و يا روش پايين به بالا به کار گرفته ميشود. در روش بالا به پایين از ساختارهاي ميکرو و بزرگتر به ابعاد نانو رسيده، اما در روش پایين به بالا از کنار هم قرار گرفتن بلوکهاي سازنده نانومواد، ساختار شکل ميگيرد که اين روش مبتني بر کليات شيمي ميباشند. شش روش کلي و مرسوم براي توليد نانومواد وجود دارد که عبارتند از: قوس الکتريکی، رسوبدهي فاز بخار شیمیایی، رسوبگذاري الکتريکي، سنتز از طريق سل- ژل، آسياب کردن و سايش با حرکت گلوله. در اين ميان، چهار روش اول جزء روشهاي توليد پائين به بالا و دو روش آخر، روش بالا به پائين محسوب ميگردند. از روشهاي ذکر شده فوق، فرآيندهاي قوس الکتريکي، تبخير ليزري و رسوبدهی بخارات شیمیایی عمده ترين روشهاي توليد نانولولهها بوده که دو روش اول بر پایهء کربن جامد و روش آخر بر پایه کربن گازی صورت میگیرد [13].
1­14) كاربرد نانولوله‌ها
خواص ویژه نانولوله‌های كربنی، آنها را به انتخاب ایده آلی برای بسیاری از كاربردها تبدیل كرده است.
امروزه در روند تحقیق درباره نانولوله‌ها توجه و تعمق ویژه‌ای بر روی استفاده از آنها در ساخت ابزارها متمركز شده است. اكثر پژوهشگرانی كه در دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های تحقيقاتی سرتاسر دنیا بر روی نانولوله‌ها كار می‌كنند با خوش‌بینی پیش‌بینی می‌كنند كه در آینده‌ای نزدیك نانولوله‌ها كاربردهای صنعتی وسیعی خواهند داشت. در ادامه چند مورد از حوزه‌های مهم كاربرد نانولوله‌ها اشاره می شود.
1­14­1) به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت ها
نانولوله های کربنی یکی از مستحکم ترین مواد به شمار می روند. این موضوع، کاربرد آن ها را به عنوان ماده پرکننده در تولید نانوکامپوزیت ها به خوبی روشن می سازد. کامپوزیت های از نوع نانولوله ی کربنی دارای نسبت استحکام به وزن بالایی می باشند که مصارف بسیاری در صنعت خواهند داشت. توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه كامپوزيت و بهبود چسبندگي نانولوله‌ با زمينه در فرآوري اين نانوكامپوزيت‌ها از موضوعات بسيار مهم است. شيوه توزيع نانولوله‌ها در زمينه پليمري از پارامترهاي مهم در استحكام‌ دهي به كامپوزيت مي‌باشد. آنچه از تحقيقات برمي‌آيد اين است كه استفاده از خواص عالي نانولوله‌ها در نانوكامپوزيت‌ها وابسته به استحكام پيوند فصل مشترك نانولوله و زمينه مي‌باشد. نكته ديگر آنكه خواص غير همسانگردي نانولوله‌ ها باعث مي‌شود كه در كسر حجمي كمي از نانولوله‌ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيت‌ها پيدا شود [14].

1­14­2) حسگرها
حسگر زیستی یک ابزار شناسایی و تجزیه زیستی است که به کمک یک مبدل18 وجود یک مولکول را شناسایی می کند. نانوحسگرهای زیستی ، انواعی از نانوحسگرها هستند که برای تشخیص مواد شیمیایی و زیستی استفاده می شوند. استفاده از نانومواد مثل نیمه رساناها، نانوسیم، نانوذرات و غیره برای کاربرد در حسگرهای زیستی به سرعت در حال توسعه است. از جمله این مزایا می توان به کوچک سازی وسیله، افزایش امواج و تشدید امواج مغناطیسی به وسیله ی برچسب های نانوذره19 اشاره کرد که سبب افزایش حساسیت می شوند. نانومواد دارای ویژگی های فیزیکی، نوری و الکتروشیمیایی منحصر به فردی هستند که در حس کردن20 بسیار مفید می باشند. از جمله نانومواد، ذرات کوانتومی، نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نانولوله های کربنی را می توان نام برد [16-15].

1­14­3) حافظه‌هاي نانولوله‌اي
به دليل كوچكي بسيار زياد نانولوله‌هاي كربني ‌(كه در حد مولكولي است)، اگر هر نانولوله‌ بتواند تنها يك بيت اطلاعات درخود جاي دهد، حافظه‌هايي حاصل از اين نانولوله‌ها مي‌توانند مقادير بسيار زيادي اطلاعات را ذخيره نمايند. با در نظر داشتن اين مطلب، بسياري از محققان در حال كار بر روي ساخت حافظه‌هاي نانولوله‌اي مي‌باشند.
1-14-4) ترانزیستورها
نانولوله‌ها درآستانه كاربرد درترانزيستورهاي سريع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلي استفاده مي‌شوند. بسياري از طراحان دستگاه ‌ها تمايل دارند به پيشرفت هايي دست يابند كه آن ها را به افزايش تعداد اتصالات داخلي دستگاه‌ها درفضاي كوچك تر، قادر نمايد. ترانزيستورهاي ساخته شده از نانولوله‌ ها داراي آستانه مي باشند (يعني سيگنال بايد از يك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزيستور بتواند آن را آشكاركند) كه مي‌توانند سيگنال‌هاي الكتريكي زيرآستانه را در شرايط اختلال الكتريكي يا نويز، آشكار و رديابي نمايند. همچنين از آنجايي كه ضريب تحرك، شاخص حساسيت يك ترانزيستور براي كشف بار يا شناسايي مولكول مجاور مي باشد، لذا ضريب تحرك مشخص می كند كه قطعه تا چه حد مي‌تواند خوب كار كند. ضريب تحرك تعيين مي كند كه بارها در يك قطعه چقدر سريع حركت مي‌كنند و اين نيز سرعت‌ نهايي يك ترانزيستور را تعيين مي‌نمايد. لذا اهميت استفاده از نانولوله‌ها و توليد ترانزيستورهاي نانولوله‌اي با داشتن ضريب تحرك برابر با 100هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه در مقابل سيليكون با ضريب تحرك 1500 سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه و اينديم آنتيمونيد (بالاترين ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضريب تحرك 77 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه بيش از پيش مشخص مي‌شود [17].
1­14­5) استفاده در نمایشگرهای تشعشع میدانی
یکی از مشکلات دستگاه های نشر میدان امروزی، عدم پایداری میدان های تولیدی در بازه های زمانی طولانی است. این مشکل را می توان با استفاده از نانولوله کربنی حل نمود. نانولوله‌ هاي كربني مي‌ توانند عنوان بهترين گسيل كننده ميداني را به خود اختصاص داده و ابزارهاي الكترونی با بازده بالاتري توليد كنند. خصوصيات منحصر به فرد اين نانولوله‌ها، امکان توليد نوعي جديد از صفحه نمايش‌ هاي تخت را میسر می کند كه ضخامت آن ها چند اينچ بوده و نسبت به همتای فعلي از قيمت مناسب‌تري برخوردار باشد. از طرفی كيفيت تصوير آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود. در پديده گسيل ميداني، الكترون ها با استفاده از ولتاژ کم از فيلم هاي ضخيم داراي نانولوله به سمت صفحه نمايش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن مي شوند. هر نقطه از اين فيلم، يك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الکترونی) كوچك است كه تصوير را روي صفحه نمايش ايجاد مي كند. ولتاژ لازم برای نمایشگر تشعشع میدانی از طریق صفحه نمايش صاف متكي بر نانولوله‌ نسبت به آنچه به صورت سنتي در روش اشعه كاتدي استفاده مي شد، كمتر مي‌باشد و اين نانولوله‌ها با ولتاژ كمتر، نور بيشتري توليد مي‌كنند [18].

1-14-6) كاربرد نانولوله در صنعت ساختمان
با توجه به کاربردهای بالقوه نانولوله نیاز به این ماده درصنایع داخلی دیده می شود. صنعت ساخت و ساز از صنایعی است که بهینه سازی مصالح ساختمانی در آن ضروری است. حداقل به سه دلیل زیر از نانولوله ها می توان در این عرصه کمک گرفت:
1) نانولوله های کربنی به دليل خواص مكانيكي عالي، در تولید پليمرها، شيشه و مصالح ساختمان قابل استفاده هستند.
2) از آنها می توان در ساخت سيستم‌هاي انتقال حرارت، به علت خواص ويژه هدايت حرارتي آنها استفاده کرد.
3) استفاده از نانولوله های کربنی با طول زياد به شكل ريسمان، در پل‌هاي معلق كاربرد دارد.
مثلاً‌ در بتن، از گذشته تا حال، فايبرهاي فولادي (بتن آرمه) استفاده مي شده‌اند. بنابراين بتن، مستعد استفاده از كربن نانولوله است. انتظار مي ‌رود با استفاده از نانولوله های کربنی به خواص بهتري در بتن رسید. دلايل برتری استفاده از نانولولة كربني در صنعت ساختمان عبارتند از:
-خواص ويژة مكانيكي هدايت حرارتي و الكترونيكي
– نسبت طول به قطر بسيار بالا
– اندازه كوچك فايبرها و قابليت پخششدن بالا در زمينة سيمان و بتن (تقويت‌كنندة عالي)
– نانوتيوب ‌ها با اجزاء و تركيبات سيمان پيوند حاصل كرده و باعث كنترل مناسب سيستم سيمان مي شوند [19].
1­14­7) قابلیت ذخیره سازی
در نانولوله‌ها هر سه اتم كربن قابليت ذخيره يك يون ليتيم را دارند، در حالي كه در گرافيت در هر شش اتم كربن توانايي ذخيره يك يون ليتيم وجود دارد. به طور کل نانولولههای کربنی به علت تخلخل بالا قابلیت جذب مواد به خصوص گازها را دارا میباشند. میزان جذب درون نانولولهها تابع پارامترهایی از جمله دما، فشار و نوع نانولوله است. در مورد هیدروژن، جذب برگشتپذیر و به مقدار بالا گزارش شده که این پدیده در زمینه آزمایشگاهی و همچنین صنعتی قابل توجه است با این وجود هنوز مکانیزم اصلی ذخیره هیدروژن به درستی درک نشده است. از سالهای قبل موادی با توانایی بالای ذخیره هیدروژن، برای ذخیره انرژی مورد توجه بودهاند. هیدریدهای فلزی و جذب در دمای پایین دو وسیله برای جذب هیدروژن هستند. در هیدریدهای فلزی، هیدروژن به صورت فاز گازی برگشتپذیر جذب میشود و انرژی الکتریکی به وسیله تبدیل مستقیم



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید