شبیه سازی رایانه ای حرکت نانو ذرات خون با استفاده از روش دینامیک مولکولی
چکیده
در پایان نامه حاضر هدف، بررسی بعضی خواص خون به عنوان یک سیال مهم در زندگی بشر می باشد. از آنجایی که خون متشکل از ذرات بسیار زیادی است و در واقع یک سیال غیرهمگن محسوب میشود در بررسیهای علمی معمولاً آنرا به قسمتهای مختلف تقسیم بندی می کنند. خون را می توان به دو بخش اصلی ذرات جامد و مایع تقسیم کرد. ذرات جامد خون متشکل از گلبولهای قرمز، گلبولهای سفید و پلاکتها می باشد. بخش سیال خون که به پلاسما شهرت دارد شامل آب، پروتیین و محلولهای دیگر است. تقریباً 92 درصد پلاسما را آب، 7 درصد پروتیینها و 1 درصد باقی مانده را مواد دیگر تشکیل می دهند. همانطور که مشاهده میگردد بخش عظیمی از پلاسما را آب تشکیل داده است. از آنجایی که هدف ما بررسی خون به عنوان یک سیال در نظر گرفته شده است و بخش پیوسته خون همان پلاسما می باشد تحقیق حاضر بر روی پلاسمای خون متمرکز گشته است. با استفاده از روش دینامیک مولکولی خواص ترمودینامیکی سیالات مانند ضریب ویسکوزیته سیال در سیستم ها در مقیاس نانو به خوبی قابل پیش بینی می باشند. در کار حاضر ضرایب دیفیوژن و ویسکوزیته سیال لنارد-جونز و مقدار تراوش آن از یک نانولوله در دماهای و چگالی های مختلف محاسبه شده اند. به سبب آنکه در روش دینامیک مولکولی احتیاج به داشتن پتانسیل بین تمام ذرات می باشد و پلاسمای خون دارای چندین نوع ذره ی مختلف با پتانسیلهای مختلف می باشد و پتانسیل این ذرات هنوز به صورت کامل شناخته شده نیست، کل پلاسما را آب فرض کرده و شبیه سازی انجام گردیده است. بدین معنی که سیال لنارد-جونز شبیه سازی شده آب می باشد. البته توجه به این نکته که درصد زیادی از حجم خون را آب تشکیل داده است ما را به این نتیجه می رساند که این فرض دور از واقعیت نمی باشد. بررسی ضرایب دیفیوژن و ویسکوزیته در دماها و چگالی های مختلف نشان می دهد که با افزایش چگالی، ضریب دیفیوژن کم و با افزایش دما، ضریب دیفیوژن افزایش می یابد. همچنین وابستگی ضریب ویسکوزیته به دما و چگالی بررسی گردیده است. علاوه بر تاثیر دما و چگالی بر ضرایب انتقالی، وابستگی این ضرایب به اندازه ی سیستم نیز بررسی گشته و مشاهده شده است که با کاهش اندازه ی سیستم(رسیدن اندازه ی سیستم به چند نانومتر)، ضریب ویسکوزیته به شدت افزایش می یابد، در حالی که در مقیاسهای بزرگتر (بزرگتر از 100 نانومتر)، اندازه ی سیستم بر ویسکوزیته تاثیری ندارد. همچنین این بررسی نشان می دهد که در چگالی های مربوط به فاز مایع با کاهش اندازه ی سیستم ضریب دیفیوژن کاهش می یابد. تاثیر اندازه در چگالی های خیلی کم، رو به کاهش می رود، همچنین با افزایش اندازه سیستم، وابستگی ضریب دیفیوژن به اندازه سیستم از بین می رود. نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی با نتایج موجود برای ضریب دیفیوژن در سیستم های با مقیاس ماکرو مقایسه و مشاهده گردید که با کاهش اندازه ی سیستم (به سمت مقیاسهای نانو) نتایج پیش بینی شده قبلی برای ماکرو سیستمها اعتبار ندارند. این بررسی نشان می دهد که روش دینامیک مولکولی اثرات ناشی از کاهش اندازه سیستم بر روی ضرایب انتقالی سیال مانند ضرایب دیفیوژن و ویسکوزیته را به خوبی پیش بینی می کند. همچنین با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی تراوش مولکولی تراوش مولکول های آب از درون نانو لوله کربن بررسی شده است. تراوش نفوذی و تراوش اسمزی دو کمیتی هستند که در سه نوع نانولوله کربن متفاوت مطالعه شدند. یک نانولوله کربن خنثی و دو نوع نانولوله کربنی که با توجه به مدل های ارایه شده، دارای بارهایی بر روی جداره خود هستند برای بررسی اثر توزیع بار بر روی تراوش دیفیوژنی و تراوش اسمزی مورد استفاده قرار گرفتند. در تراوش اسمزی، مولکول های آب تحت اثر یک اختلاف پتانسیل شیمیایی که ناشی از یک اختلاف فشار القایی است از درون نانولوله کربنی عبور می کنند. در حالی که در تراوش نفوذی، تعداد مولکول های آب عبوری از درون نانولوله کربنی در حالتی صورت می گیرد، که هیچ اختلاف پتانسیل شیمیایی وجود ندارد. میزان تراوش نفوذی و تراوش اسمزی در نانولوله کربنی خنثی تقریباً یکسان مشاهده شد در حالیکه در نوع اول نانولوله کربن دارای پخش بار تراوش اسمزی حدود 50 برابر بیشتر از تراوش دیفیوژنی بود. این تفاوت در تعداد مولکول های عبوری باعث می شود تا نوع پخش بار در نانولوله کربنی نوع دوم بتواند گزینه ای مناسب و بهینه برای فرایندهای تصفیه آب باشد و نیز کارایی مورد سوم که توزیع بارهای آن مشابه یک گزینه برای مجاری بیولوژیک انتخاب شده است، اثبات شود. در این پژوهش، همچنین، اثر دما بر مقدار تراوش نفوذی در نانولوله ی خنثی بررسی شده است.