بررسی ساختار و خواص ترمودینامیکی سیالات محدود شده در نانوحفره های شیاری و نانولوله های کربنی با استفاده از نظریه ی تابعی چگالی
چکیده
ساختار و خواص ترمودینامیکی سیالات محدودشده درون نانوحفره ها، تفاوت های چشم گیری با سیالات توده ای دارد. دلیل اصلی این تفاوت ها به وجود دیواره های سامانه مربوط است. علاوه بر اثر انتروپی ناشی از دیواره ها، این دیواره ها می توانند انرژی سامانه ی محدودشده را نیز به شدت دست خوش دگرگونی کنند. در سیالات محدودشده، نیروهای ناشی از دیواره های حفره و رقابت نیروهای بینمولکولی با این نیروها سبب پیدایش ویژگی های بسیار جالبی می شود که بسیاری از آن ها در سامانه های درشت نمود قابل مشاهد نیست. در این رساله، با استفاده از یک نسخه ی بسیار کارامد از نظریه ی تابعی چگالی (نظریه ی مقادیر بنیادین) توزیع چگالی سیال کره یسخت پیرامون کره های سخت و نرم گوناگون محاسبه شده است. این نتایج نشان می دهند که افزایش قطر مولکول مرکزی مایه ی افزایش چگالی در نقطه ی برخورد و نیز افزایش دامنه ی نوسان های توزیع چگالی و ویژگی لایه ای ساختار در اطراف مولکول مرکزی می شود. این رفتار، هنگامی که جاذبه ی بین مولکول مرکزی و مولکول های سیال افزایش یابد نیز مشاهد می شود. یافته ی دیگر این بررسی ها آن است که افزایش قطر مولکول مرکزی همانند یک نیروی جاذبه عمل می کند. این نیرو که سرچشمه ی انتروپی دارد، با نام نیروی تهی شدگی شناخته شده است. مادامی که قطر مولکول مرکزی از چند برابر قطر مولکول های سیال تجاوز نکند، این پتانسیل تهی شدگی را می توان در یک مدل پتانسیل کره یسخت با دنباله ی یوکاوا برازش کرد. همچنین، در این رساله، ساختار و خواص پیکربندی یک سیال کره یسخت که درون یک نانوحفره ی شیاری با دیواره های سخت و بدون ساختار محدودشده است، با استفاده از نظریه ی مقادیر بنیادین بررسی شده است. برای این منظور، پتانسیل شیمیایی موضعی چند ساختار فرضی و واقعی سیال کره یسخت که درون یک نانوحفره ی شیاری محدودشده، مورد بررسی قرار گرفته است. ناهمگنی تعدادی از این پتانسیل های شیمیایی نشان دهنده ی تمایل مولکول ها برای گردآمدن در کناره ی دیواره ها است. در مرحله ی بعدی، انتروپی ساختاری سیال کره یسخت محدودشده درون نانوحفره ی شیاری با ساختارهای فرضی و واقعی گوناگون بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که حجم مستثنیشده در کناره ی دیواره ها سبب می شود تعداد پیکربندی های ممکن برای سامانه کاهش یابد که نتیجه ی آن، کاهش انتروپی سامانه است. بنابراین، سیال برای جبران این کاهش انتروپی، ساختار ناهمگن را برمی گزیند. ساختار ناهمگن و لایه ای سیال محدودشده، به مولکول هایی که در فاصله های دورتر نسبت به دیواره قرار گرفته اند، اجازه می دهد فضای بزرگ تری در دست رس داشته باشند که نتیجه ی آن افزایش تعداد پیکربندی ها و در نهایت افزایش انتروپی سیال محدودشده است. در همین راستا، نتایج به دست آمده با استفاده از نظریه ی مقادیر بنیادین نشان می دهند که یک گذار فاز لایه ای شدن در سیال کره یسخت محدودشده درون یک نانوحفره ی شیاری با دیواره های سخت و بدون ساختار رخ می دهد که سرچشمه ی آن، به طور خالص، انتروپی سامانه است. همچنین، در این رساله، با استفاده از نظریه ی مقادیر بنیادین اختلالی، اثر دیواره ها بر انرژی سامانه ی محدودشده بررسی شده است. برای این منظور، از سیال دو-یوکاوایی که درون نانوحفره های شیاری با دیوار های گوناگون محدودشده ، استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که چگونه ساختار و خواص ترمودینامیکی سیال محدودشده به وسیله ی اثرات انرژی دست خوش تغییر قرار می گیرند. در نهایت، با استفاده از نظریه ی تابعی چگالی اختلالی تارازونا-روزنفلد، ساختار و گذار فاز سیال لنارد-جونز محدودشده درون یک نانولوله ی کربنی تک دیواره بررسی شده است.