لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : word (..doc) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحه : 41 صفحه
قسمتی از متن word (..doc) :
2
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
شبیه سازی مولکولی به روشهایی گفته میشود که با در نظر گرفتن مولکولهای یک سیستم و مدل بر هم کنش آنها و محاسبه موقعیتها و سرعتهای آن ذرات در هر لحظه از زمان و استفاده از روابط مکانیک آماری خواص ماکروسکوپی سیستم را محاسبه میکند. شبیه سازیهای کامپیوتری نقش ارزشمندی در پاسخ دقیق به مسائل آماری دارند که فقط بوسیله روشهای تقریبی قابل حل هستند. بدین ترتیب شبیه سازی کامپیوتری روشی برای آزمایش نظریههای مختلف مکانیک آماری است علاوه بر این نتایج شبیه سازیهای کامپیوتری را میتوان در حد نتایج آزمایشهای واقعی دانست.
روش شبیه سازی ملکولی به عوض تلاشی جهت استنتاج رفتار میکروسکوپی از مشاهدات آزمایشگاهی، دیدگاه سازندهای را دنبال میکند که در آن سعی میشود با استفاده از سیستمهای مدل رفتار میکروسکوپی بازسازی شود. بدین ترتیب این گونه روشها میتوانند به منظور آزمایش مدلهای ارائه شده مولکولی به کار روند و یا با استفاده از مدلهای تایید شده برای محاسبه خواص مدل مورد استفاده قرار گیرند. این نقش دوگانه شبیه سازی به صورت پلی میان مدلها و پیش بینیهای نظری از یک سو و مدلها و نتایج آزمایشگاهی از سوی دیگر است. تفاوت بین شبیه سازی کامپیوتری و سایر محاسبات در نحوه استفاده از کامپیوتر است. در شبیه سازی، کامپیوتر تنها یک محاسبهگر نیست بلکه آزمایشگاهی مجازی که در آن یک سیستم بررسی میشود .
شکل 2- 1- صفحه 5 کتاب آن
به همین دلیل از تکنیکهای شبیه سازی کامپیوتری به عنوان آزمایشهای کامپیوتری نیز یاد میشود. شبیه سازی کامپیوتری ارتباط مستقیمی بین جزئیات میکروسکوپی یک سیستم (جرم اتمها، بر هم کنشهای بین آنها، شکل هندسی مولکولها و .....) و خواص ماکروسکوپی قابل اندازهگیری (معادله حالت، ضرایب انتقالی، پارامترهای نظم ساختاری و ....) برقرار میسازد که این کمیتها علاوه بر اهمیت آکادمیک در صنعت نیز از اهمیت خاصی برخوردار میباشند. انجام این آزمایشات تحت شرایط دما و فشار بسیار بالا میتواند با دشواری همراه باشد. در صورتی که انجام این گونه آزمایشات بوسیله شبیه ساز کامپیوتری کار بسیار سادهتری است. تعیین جزئیات ساختار و حرکت مولکولها به عنوان مثال در واکنشهای کاتالیستی ناهمگن، انتقال یون سریع یا واکنشهای آنزیمی بوسیله روشهای آزمایشگاهی بسیار سخت است در حالی که به سادگی میتوان این نتایج را از شبیه سازی کامپیوتری استخراج نمود. سرعت زیاد بعضی از رخدادها در واکنش
2
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
ها یا سیستمهای شیمیایی هر چند که تشخیص آزمایشگاهی آنها را با مشکل روبرو میکند. در شبیه سازی مولکول یک نقطه سادگی محسوب میگردد. یعنی رخدادهایی با سرعت بیشتر با سهولت بیشتری شبیه سازی میگردد. گستره وسیعی از پدیدههای میتواند بوسیله شبیه سازی کامپیوتری مورد مطالعه قرار گیرد.
3- 1- شبیه سازی تعیینی و تصادفی
یک شبیه سازی در مقیاس مولکولی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:
الف) ساختن مدل مولکولی
ب) محاسبه مسیرهای مولکولی
ج) تجزیه و تحلیل این مسیرها برای بدست آوردن مقادیر عددی خواص مورد نظر
وظیفه واقعی شبیه سازی مولکولی قسمت دوم است. بر اساس شیوه محاسبه موقعیتهای مولکولی rN در قسمت دوم میتوان روشهای شبیه سازی را از هم تفکیک نمود. روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی بر پایه حل معادلات حرکت مولکولی به منظور تولید پیکربندیهای جدید استوار میباشد در نتیجه شبیه سازیهای دینامیک مولکولی را میتوان برای بدست آوردن خواص وابسته به زمان مورد استفاده قرار داد. در حالی که روش مونت کارلو بر پایه احتمالات است. بدین صورت که یک پیکربندی آزمایشی بطور تصادفی تولید میگردد. سپس این پیکربندی سیستم بوسیله معیارهایی برای مقبولیت یا عدم مقبولیت آن بوسیله محاسبه تغییر انرژی و خواص دیگر در پیکربندی آزمایشی ارزیابی میگردد. و سرانجام با مقایسه کل پیکربندیهای تولید شده و پیکربندیهای پذیرفته شده یا رد شده و استفاده از میانگین گیرهای مجموعهای خواص مولکولی محاسبه میگردد.
در بعضی روشهای دیگر موقعیتها با استفاده از یک روش ترکیبی بدست میآید. به گونهای که مانند روش مونت کارلو تا حدی بصورت تصادفی است و از طرف دیگر مانند MD دارای خاصیت تعیینی است. روشهای مختلف را میتوان بر اساس میزان خاصیت «تعیینی» آنها در تولید موقعیتهای مولکولی به صورت زیر مرتب کرد.
شکل صفحه 19- پایان نامه دکتر یگانگی
در شبیه سازی دینامیک مولکولی، موقعیتهای مولکولی rN از حل عددی معادلات حرکت بدست میآیند. بنابراین موقعیتها از نظر زمانی به همدیگر متصل هستند. در روشهای دیگر شبیه سازی موقعیتهای مولکولی از نظر زمانی به یکدیگر وابسته نیستند. به عنوان مثال در شبیه سازی
3
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
«مونت کارلو» Monte Carlo
موقعیتها به صورت تصادفی تولید میشوند به طوری که ساختاری مولکولی rN فقط به ساختار قبلی بستگی دارد. وقتی که نتیجه یک واقعه تصادفی در یک رشته فقط به نتیجه واقعه قبلی بستگی داشته باشد به آن رشته یک «زنجیر مارکوف» میگویند. در بعضی روشهای دیگر موقعیتها با استفاده از یک روش ترکیبی بدست میآید. به گونهای که مانند روش مونت کارلو تا حدی به صورت تصادفی است و از طرف دیگر مانند MD دارای خاصیت تعیینی است. روشهای مختلف را میتوان بر اساس میزان خاصیت «تعیینی» آنها در تولید موقعیتهای مولکولی به صورت زیر مرتب کرد.
«تعیینی» «تصادفی»
دینامیک دینامیک دینامیک مونت کارلو مونت کارلو
مولکولی عمومی لاگرانژی براونی Force Biased مترو پولیس
شکل (2- 1)- درجه نسبی تعیینی در روشهای مختلف شبیه سازی مولکولی [34]
2- 3- 1- شبیه سازی مونت کارلو MC
روش تصادفی خالص مونت کارلو به سیستم با تعداد مولکول ثابت N در حجم ثابت V که در دمای ثابت T نگه داشته میشود، صورت میگیرد. فرآیند شبیه سازی از روش عمومی مونت کارلو برای محاسبه انتگرالهای چند بعدی استخراج شده است. انتگرالها در اینجا متوسطهای مکانیک آماری روی.
در زیر الگوریتم کلی برای روش مونت کارلو و دینامیک مولکولی ارائه گردیده است.
الگوریتم 1-1- قسمتهای اصلی شبیه سازی مونت کارلو
تولید یک پیکربندی اولیه: قسمت اول
تولید یک زنجیره مارکوف برای چرخهها: قسمت دوم
تعداد چرخهها N 1000 ← i: LOOP
یک پیکر بندی جدید تولید کن
احتمال انتقال از حالت اولیه به این پیکربندی تصادفی را تعیین کن W
یک عدد تصادفی بین 1 تا صفر را انتخاب کن R
If (W> R) then
4
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
حرکت مورد قبول است
Else
حرکت مردود است
End if
End LOOP
الگوریتم 2- 1- قسمتهای اصلی دینامیک مولکولی
تولید یک پیکربندی اولیه: قسمت اول
شبیه سازی به مدت tMax: قسمت دوم
LOOP
یک پیکربندی جدید توسط حل معادلات حرکت تولید کن
بوسیله میانگین گیری زمانی کمیتهای مورد نظر را محاسبه کند
(time ≥ t Max) در حالی که
3- 2- مدل شبیه سازی
به منظور شبیه سازی یک سیستم مولکولی ابتدا باید از بر هم کنش بین ذرات آن سیستم و بر هم کنس بین ذرات و محیط اطلاعات صحیح در دسترس باشد. برای بدست آوردن این اطلاعات از یک مدل استفاده میشود. این مدل شامل یک انرژی پتانسیل بین مولکولی یا معادل آن تابع نیروی بین مولکولی است. بطور کلی میتوان انرژی پتانسیل یک سیستم متشکل از N اتم را به صورت مجموع جملاتی متشکل از پتانسیل ذرات انفرادی، جفتی، سه تایی و غیره به صورت رابطه ( ) در نظر گرفت.
(1- 4)
که در آن دلالت بر جمع روی همه جفت ذرات j, I بدون احتساب جملات تکراری دارد. اولین جمله در معادله (1- 4) u1 (ri) اثر یک میدان خارجی بطور مثال دیوارههای ظرف روی سیستم را نشان میدهد. بقیه جملات به بر هم کنشهای ذرات میپردازند. بر اساس این جداسازی بر هم کنش بین مولکول و بر هم کنش سیستم محیط مستقل از هم هستند. جمله دوم u2، پتانسیل جفتی مهم در این جمله است پتانسیل جفتی فقط به اندازه جدایی بین ذرات rij = | ri – rj
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : word (..DOC) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحه : 17 صفحه
قسمتی از متن word (..DOC) :
1
شیمی مولکولی
موضوع: دانش ها و فنون مرتبط با نانو
آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کردهاید تا آن را تحت فشار قرار دهید؟
چه اتفاقی میافتد وقتی پیستون سرنگ را فشار میدهید؟
هوا چگونه متراکم میشود؟ چگونه در یک فضای کوچکتر جا میگیرد؟
یک تکه اسفنج را میتوان در فضای کوچکتری متراکم کرد. علت تراکم اسفنج این است که در آن سوراخهای ریزی وجود دارد، وقتی اسفنج را فشار میدهیم هوای داخل این سوراخها خارج میشود و ماده جامد اسفنج به هم نزدیکتر میگردد. درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار میدهید؛ آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم میشود. "بویل"، دانشمند انگلیسی در سال 1662 میلادی مقداری جیوه – که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشهای پنچ متری ریخت. این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود. بویل مشاده کرد که با افزودن جیوه هوای به دام افتاده در سمتی که بسته است، متراکم میشود و فضای کمتری اشغال میکند. بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتمهای ریز، تشکیل شده باشد. میان اتمها فضایی است که در آن هیچ چیز نیست. وقتی هوا متراکم میشود، اتمها به هم نزدیکتر میشوند. بویل همان سالها در کتابی نوشت: "عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد. شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد سادهتر تجزیه کنند، آن ماده یک عنصر است."
دانشمندان بر مبنای این توصیه بویل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زیادی را که از این عناصر ساخته شده بود را بررسی کردند. بسیاری از مواد مرکب بررسی شده تا آن زمان از مولکولهای ساده ساخته شده بودند و هر کدام بیش از چند اتم نداشتند. کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتمها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال 1824 میلادی (1203 شمسی) "یوستون لیبینگ" و "فردریخ وهلر"، شیمیدان آلمانی درباره دوماده مرکب متفاوت تحقیق میکردند. هریک از آنها برای ماده مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتی آنها نتایج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند. با اینکه این دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگونی داشتند، مولکولهای آنها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتمهای هر عنصر در هر دو ماده یکسان بود. به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهای موجود در یک مولکول کافی نیست. و این اتمها باید آرایش ویژهای داشته باشند. بنابراین، آرایش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها میشود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.
با توجه به اینکه هم مولکولها و هم اتمها به قدری کوچک هستند که دیده نمیشوند، شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتمها را در مولکولها بیابند؟
نخستین گام را در این راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگلیسی برداشت. او مولکولهای آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتمِ یک نوع فلزِ، همیشه با تعداد مشخصی از مولکولهای آلی ترکیب میشود. او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد. او اسم این خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمهای لاتین به معنای "ظرفیت" یا "توانایی" است. برای مثال وقتی میگوییم:"ظرفیت هیدروژن «یک» است"، یعنی اتم هیدروژن تنها با یک اتم دیگر میتواند ترکیب شود. ظرفیت اکسیژن «دو»، نیتروژن «سه» و کربن «چهار» است. اسکات کوپرِ اسکاتلندی، نیز در 1858 میلادی نظریه "پیوندهای شیمیایی" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" یا "پیوند" به یکدیگر
2
متصل میشوند و مولکولهای مختلف را تشکیل میدهند. طبق نظریه او، هر اتم به اندازه "ظرفیت" یا "والانس" خود میتواند با اتمهای دیگر پیوند بدهد. کوپر همچنین پیشنهاد کرد که اتمها را با توجه به ظرفیتشان و تعداد پیوندهایی که میتوانند با سایر اتمها داشته باشند، به صورت ذیل نمایش دهند:
به این ترتیب میتوانیم مولکولها را با رسم پیوندهای میان اتمها، به شکل زیر نشان بدهیم:
استفاده از روش فوق برای نشان دادن ساختمان مولکولهای کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود، اما در مورد مولکولهای بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی میشد. از اینرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در موردِ مواد مرکب آلی برطرف کند. "فردریش آگوست ککوله" با توجه به این مسأله که هر اتم کربن ظرفیت اتصال به چهار اتم دیگر را دارد، توانست مسایل مربوط به تعداد زیادی از مولکولها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر میرسید- را حل کند.
امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن مولکولها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده میشود.
اما شیمیدانان ها چگونه میتوانند بین ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به اینکه از چه عناصر تشکیل شدهاند و دارای چه آرایشی هستند، خواص مختلفی دارند. برای مثال موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان میدهند در ساختار مولکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به اکسیژن متصل است و آن اتم اکسیژن هم با یک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پیوند دارد. حال اگر به جای اتم نافلز، یک اتم فلز مانند سدیم، کلسیم یا ... قرار گیرد، ترکیب به جای "خصلت اسیدی"، "خاصیت قلیایی" خواهد داشت.
در داروها و مولکولهای بزرگ، خواص ترکیب به عوامل متعددی بستگی دارد. در نانو فناوری که هدف ساختن مولکولی جدید با رفتاری خواص است، یک دانشمند شیمی مولکولی با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتمها را پیشنهاد میکند که خواصیت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوی دیگر باید بدانیم مولکولها صرفاً آنچه ما روی کاغذ رسم میکنیم نیستند. مولکولها دارای بعد هستند و فضا اشغال میکنند.
یک مولکول در فضا آرایشهای مختلفی را میتواند اختیار کند. درحال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک کامپیوتر میتوان آرایشهای مختلف را پیشبینی کرده و چگونگی قرار گرفتن اتمها را در کنار یکدیگر را بررسی کرد. همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی چه خواصی را موجب میشود. این کار نیز به واسطه اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ساختارهای مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذیر میباشد.
شاخهای از نانوفناوری که با بهرهگیری از شیمی مولکولی و روشهای محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتومی، آرایشهای متنوع مولکولها را بررسی میکند را نانوفناوری محاسباتی مینامند.
3
فناوری نانو چیست؟
نانوتکنولوژی، فناوری جدید است که تمام دنیا را فرا گرفته است و به تعبیر دقیقتر "نانوتکنولوژی بخشی از آینده نیست بکله همه آینده است" . در این نوشتار بعد از تعریف نانوتکنولوژی و بیان کاربردهای آن دلایل و ضرورتهای توجه به این فناوری آورده شده است:
تعریف نانوتکنولوژی و آشنایی با آن
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر میشود. از همین تعریف ساده برمیآید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن آوری را بهعنوان یک زمینه فرا رشتهای و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمایشها و تحقیقات پیرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه 80 قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .
استفاده از این فنآوری در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهای کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو بهعنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامهریزی علمی دقیق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرضاندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است.
نانوتکنولوژی و کاربردهای آن
علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبیعت در دهههای آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ی نده، همکاریهای تحقیقاتی میانرشتهای، آموزش خاص و انتقال ایدهها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به شرح
زیر میباشد:
4
1 – تولید ، مواد و محصولات صنعتی :
نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوکهای ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقّت کنترلشده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربهفرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها، ایجاد میکند. محقّقین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبودهاست. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبکتر، قویتر و قابل برنامهریزی ؛ کاهش هزینة عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنّی ؛ ابزارهایی نوین بر پایة اصول و معماری جدید ؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشهای که مزیّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
2- پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستمهای زنده را اداره میکند. یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیستشناسی و شبیهسازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
• فراتر از سهلشدن استفادة بهینه از دارو، نانوتکنولوژی میتواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو ( Drug Delivery ) تهیه کند، که بهنحو حیرتانگیزی توان درمانی داروها را افزایش میدهد.
• مواد زیستسازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، میتوان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئیسازی بکار میرود) درون سلولها وارد نمود.
• افزایش توان محاسباتی بوسیلة نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکههای ماکرومولکولی را در محیطهای واقعی ممکن میسازد. اینگونه شبیهسازیها برای بهبود قطعات کاشتهشدة زیستسازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.
3- دوامپذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:
نانوتکنولوژی چنان چ ه ذکر شد، منجر به تغییرات ی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوریهای جدید، امکان بازیافت و استفادة مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواه ن د کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی نانو، میتواند تأثیر قابل ملاحظهای ، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ میدهد ؛ در ایجاد و درمان مسائل زیستمحیطی از طریق کنترل انتشار آلایندهها ؛ در توسعة فنّاوریهای "سبز" جدید که محصولات جانبی ناخواستة کمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشتهباشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگیهای کوچک از منابع آبی (کمتر از 200 نانومتر) و هوا (زیر 20 نانومتر) و اندازهگیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی میتواند بهطور قابل ملاحظهای کارآیی، ذخیرهسازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد . به عنوان مثال، شرکتهای
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : پاورپوینت
نوع فایل : powerpoint (..ppt) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد اسلاید : 19 اسلاید
قسمتی از متن powerpoint (..ppt) :
بنام خدا
پاورپوینت آشنایی با کامپیوترهای مولکولی دی ان ای( DNA )
چکیده :
توانایی سیلیکون برای ساخت تراشه های کامپیوتری سریعتر، به زودی پایان می یابد. بنابراین دانشمندان، DNA را به عنوان منبع وجایگزینی پاک و مناسب معرفی کرده اند.
تحقیقات روی کامپیوترهای مولکولی بر اساس نظریه دکتر آدلمان، گامهای اولیه خود را بر می دارد. کامپیوترهای مولکولی امروزی ترکیبی از DNA وآنزیم ها هستند و هنوز راهی بسیار طولانی تا به تحقق پیوستن این رویای شیرین مانده است. به نظر می رسد، در آینده از کامپیوترهای DNA می توان در زمینه های مختلفی، از جمله درمان و محاسبات پیچیده استفاده نمود.
کامپیوترهای مولکولی دی ان ای
مقدمه
در داخل هسته تمامی سلول های بدن ما یک کامپیوتر ریز و با هوش که بسیار قویتر از تمامی کامپیوترهای جهان است قرار دارد. این کامپیوتر ریز در واقع همان DNA یا ماده ژنتیکی ما است، که تمامی اطلاعات مربوط به زندگی و عملکرد شما را برنامه ریزی و تنظیم می کند.
مطابق قانون مور( Moor Law ) هر 18 ماه، تعداد قطعات الکترونیکى موجود در تراشههاى کامپیوترى دو برابر میشود و سرعت نیز چند برابر افزایش مییابد.
تراشه سازان، سالهاست که به دنبال جایگزینى براى سیلیکون هستند که این جایگزینى، همان مولکول DNA موجود در سلولهاى ارگانیسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان که بر خلاف مواد سمى ریزپردازندههاى رایج، از نظر مسائل زیست محیطى، منبعى پاک محسوب میشود.
کامپیوترهای مولکولی دی ان ای
کامپیوترهای مولکولی ... DNA Computers
هر مولکول ژنتیکی DNA شامل 4 پایه thymine(T) , adenine(A) cytosine(C) و guanine(G) می باشد که به یکدیگر پیچیده شده اند. زبانی که DNA با آن عمل می کند با چهار حرف G,C,T,A کدگذاری می شود و عملیات محاسباتی را انجام می دهد.
پایه های شیمیایی مولکول DNA ، از نظر بیولوژیکی از قوانینی خاص پیروی می کنند به این صورت که پایه A همیشه با T و پایه C همیشه با G ، پیوند برقرار می کند، که این خواص قابلیت پردزاش اطلاعات را به مولکول DNA می دهد.
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : پاورپوینت
نوع فایل : powerpoint (..ppt) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد اسلاید : 19 اسلاید
قسمتی از متن powerpoint (..ppt) :
بنام خدا
کامپیوترهای مولکولی دی ان ای
کامپیوترهای مولکولی دی ان ای
چکیده :
توانایی سیلیکون برای ساخت تراشه های کامپیوتری سریعتر، به زودی پایان می یابد. بنابراین دانشمندان، DNA را به عنوان منبع وجایگزینی پاک و مناسب معرفی کرده اند.
تحقیقات روی کامپیوترهای مولکولی بر اساس نظریه دکتر آدلمان، گامهای اولیه خود را بر می دارد. کامپیوترهای مولکولی امروزی ترکیبی از DNA وآنزیم ها هستند و هنوز راهی بسیار طولانی تا به تحقق پیوستن این رویای شیرین مانده است. به نظر می رسد، در آینده از کامپیوترهای DNA می توان در زمینه های مختلفی، از جمله درمان و محاسبات پیچیده استفاده نمود.
کامپیوترهای مولکولی دی ان ای
مقدمه
در داخل هسته تمامی سلول های بدن ما یک کامپیوتر ریز و با هوش که بسیار قویتر از تمامی کامپیوترهای جهان است قرار دارد. این کامپیوتر ریز در واقع همان DNA یا ماده ژنتیکی ما است، که تمامی اطلاعات مربوط به زندگی و عملکرد شما را برنامه ریزی و تنظیم می کند.
مطابق قانون مور( Moor Law ) هر 18 ماه، تعداد قطعات الکترونیکى موجود در تراشههاى کامپیوترى دو برابر میشود و سرعت نیز چند برابر افزایش مییابد.
تراشه سازان، سالهاست که به دنبال جایگزینى براى سیلیکون هستند که این جایگزینى، همان مولکول DNA موجود در سلولهاى ارگانیسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان که بر خلاف مواد سمى ریزپردازندههاى رایج، از نظر مسائل زیست محیطى، منبعى پاک محسوب میشود.
کامپیوترهای مولکولی دی ان ای
کامپیوترهای مولکولی ... DNA Computers
هر مولکول ژنتیکی DNA شامل 4 پایه thymine(T) , adenine(A) cytosine(C) و guanine(G) می باشد که به یکدیگر پیچیده شده اند. زبانی که DNA با آن عمل می کند با چهار حرف G,C,T,A کدگذاری می شود و عملیات محاسباتی را انجام می دهد.
پایه های شیمیایی مولکول DNA ، از نظر بیولوژیکی از قوانینی خاص پیروی می کنند به این صورت که پایه A همیشه با T و پایه C همیشه با G ، پیوند برقرار می کند، که این خواص قابلیت پردزاش اطلاعات را به مولکول DNA می دهد.
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : word (..doc) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحه : 41 صفحه
قسمتی از متن word (..doc) :
2
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
شبیه سازی مولکولی به روشهایی گفته میشود که با در نظر گرفتن مولکولهای یک سیستم و مدل بر هم کنش آنها و محاسبه موقعیتها و سرعتهای آن ذرات در هر لحظه از زمان و استفاده از روابط مکانیک آماری خواص ماکروسکوپی سیستم را محاسبه میکند. شبیه سازیهای کامپیوتری نقش ارزشمندی در پاسخ دقیق به مسائل آماری دارند که فقط بوسیله روشهای تقریبی قابل حل هستند. بدین ترتیب شبیه سازی کامپیوتری روشی برای آزمایش نظریههای مختلف مکانیک آماری است علاوه بر این نتایج شبیه سازیهای کامپیوتری را میتوان در حد نتایج آزمایشهای واقعی دانست.
روش شبیه سازی ملکولی به عوض تلاشی جهت استنتاج رفتار میکروسکوپی از مشاهدات آزمایشگاهی، دیدگاه سازندهای را دنبال میکند که در آن سعی میشود با استفاده از سیستمهای مدل رفتار میکروسکوپی بازسازی شود. بدین ترتیب این گونه روشها میتوانند به منظور آزمایش مدلهای ارائه شده مولکولی به کار روند و یا با استفاده از مدلهای تایید شده برای محاسبه خواص مدل مورد استفاده قرار گیرند. این نقش دوگانه شبیه سازی به صورت پلی میان مدلها و پیش بینیهای نظری از یک سو و مدلها و نتایج آزمایشگاهی از سوی دیگر است. تفاوت بین شبیه سازی کامپیوتری و سایر محاسبات در نحوه استفاده از کامپیوتر است. در شبیه سازی، کامپیوتر تنها یک محاسبهگر نیست بلکه آزمایشگاهی مجازی که در آن یک سیستم بررسی میشود .
شکل 2- 1- صفحه 5 کتاب آن
به همین دلیل از تکنیکهای شبیه سازی کامپیوتری به عنوان آزمایشهای کامپیوتری نیز یاد میشود. شبیه سازی کامپیوتری ارتباط مستقیمی بین جزئیات میکروسکوپی یک سیستم (جرم اتمها، بر هم کنشهای بین آنها، شکل هندسی مولکولها و .....) و خواص ماکروسکوپی قابل اندازهگیری (معادله حالت، ضرایب انتقالی، پارامترهای نظم ساختاری و ....) برقرار میسازد که این کمیتها علاوه بر اهمیت آکادمیک در صنعت نیز از اهمیت خاصی برخوردار میباشند. انجام این آزمایشات تحت شرایط دما و فشار بسیار بالا میتواند با دشواری همراه باشد. در صورتی که انجام این گونه آزمایشات بوسیله شبیه ساز کامپیوتری کار بسیار سادهتری است. تعیین جزئیات ساختار و حرکت مولکولها به عنوان مثال در واکنشهای کاتالیستی ناهمگن، انتقال یون سریع یا واکنشهای آنزیمی بوسیله روشهای آزمایشگاهی بسیار سخت است در حالی که به سادگی میتوان این نتایج را از شبیه سازی کامپیوتری استخراج نمود. سرعت زیاد بعضی از رخدادها در واکنش
2
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
ها یا سیستمهای شیمیایی هر چند که تشخیص آزمایشگاهی آنها را با مشکل روبرو میکند. در شبیه سازی مولکول یک نقطه سادگی محسوب میگردد. یعنی رخدادهایی با سرعت بیشتر با سهولت بیشتری شبیه سازی میگردد. گستره وسیعی از پدیدههای میتواند بوسیله شبیه سازی کامپیوتری مورد مطالعه قرار گیرد.
3- 1- شبیه سازی تعیینی و تصادفی
یک شبیه سازی در مقیاس مولکولی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:
الف) ساختن مدل مولکولی
ب) محاسبه مسیرهای مولکولی
ج) تجزیه و تحلیل این مسیرها برای بدست آوردن مقادیر عددی خواص مورد نظر
وظیفه واقعی شبیه سازی مولکولی قسمت دوم است. بر اساس شیوه محاسبه موقعیتهای مولکولی rN در قسمت دوم میتوان روشهای شبیه سازی را از هم تفکیک نمود. روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی بر پایه حل معادلات حرکت مولکولی به منظور تولید پیکربندیهای جدید استوار میباشد در نتیجه شبیه سازیهای دینامیک مولکولی را میتوان برای بدست آوردن خواص وابسته به زمان مورد استفاده قرار داد. در حالی که روش مونت کارلو بر پایه احتمالات است. بدین صورت که یک پیکربندی آزمایشی بطور تصادفی تولید میگردد. سپس این پیکربندی سیستم بوسیله معیارهایی برای مقبولیت یا عدم مقبولیت آن بوسیله محاسبه تغییر انرژی و خواص دیگر در پیکربندی آزمایشی ارزیابی میگردد. و سرانجام با مقایسه کل پیکربندیهای تولید شده و پیکربندیهای پذیرفته شده یا رد شده و استفاده از میانگین گیرهای مجموعهای خواص مولکولی محاسبه میگردد.
در بعضی روشهای دیگر موقعیتها با استفاده از یک روش ترکیبی بدست میآید. به گونهای که مانند روش مونت کارلو تا حدی بصورت تصادفی است و از طرف دیگر مانند MD دارای خاصیت تعیینی است. روشهای مختلف را میتوان بر اساس میزان خاصیت «تعیینی» آنها در تولید موقعیتهای مولکولی به صورت زیر مرتب کرد.
شکل صفحه 19- پایان نامه دکتر یگانگی
در شبیه سازی دینامیک مولکولی، موقعیتهای مولکولی rN از حل عددی معادلات حرکت بدست میآیند. بنابراین موقعیتها از نظر زمانی به همدیگر متصل هستند. در روشهای دیگر شبیه سازی موقعیتهای مولکولی از نظر زمانی به یکدیگر وابسته نیستند. به عنوان مثال در شبیه سازی
3
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
«مونت کارلو» Monte Carlo
موقعیتها به صورت تصادفی تولید میشوند به طوری که ساختاری مولکولی rN فقط به ساختار قبلی بستگی دارد. وقتی که نتیجه یک واقعه تصادفی در یک رشته فقط به نتیجه واقعه قبلی بستگی داشته باشد به آن رشته یک «زنجیر مارکوف» میگویند. در بعضی روشهای دیگر موقعیتها با استفاده از یک روش ترکیبی بدست میآید. به گونهای که مانند روش مونت کارلو تا حدی به صورت تصادفی است و از طرف دیگر مانند MD دارای خاصیت تعیینی است. روشهای مختلف را میتوان بر اساس میزان خاصیت «تعیینی» آنها در تولید موقعیتهای مولکولی به صورت زیر مرتب کرد.
«تعیینی» «تصادفی»
دینامیک دینامیک دینامیک مونت کارلو مونت کارلو
مولکولی عمومی لاگرانژی براونی Force Biased مترو پولیس
شکل (2- 1)- درجه نسبی تعیینی در روشهای مختلف شبیه سازی مولکولی [34]
2- 3- 1- شبیه سازی مونت کارلو MC
روش تصادفی خالص مونت کارلو به سیستم با تعداد مولکول ثابت N در حجم ثابت V که در دمای ثابت T نگه داشته میشود، صورت میگیرد. فرآیند شبیه سازی از روش عمومی مونت کارلو برای محاسبه انتگرالهای چند بعدی استخراج شده است. انتگرالها در اینجا متوسطهای مکانیک آماری روی.
در زیر الگوریتم کلی برای روش مونت کارلو و دینامیک مولکولی ارائه گردیده است.
الگوریتم 1-1- قسمتهای اصلی شبیه سازی مونت کارلو
تولید یک پیکربندی اولیه: قسمت اول
تولید یک زنجیره مارکوف برای چرخهها: قسمت دوم
تعداد چرخهها N 1000 ← i: LOOP
یک پیکر بندی جدید تولید کن
احتمال انتقال از حالت اولیه به این پیکربندی تصادفی را تعیین کن W
یک عدد تصادفی بین 1 تا صفر را انتخاب کن R
If (W> R) then
4
مبانی شبیه سازی دینامیک مولکولی
حرکت مورد قبول است
Else
حرکت مردود است
End if
End LOOP
الگوریتم 2- 1- قسمتهای اصلی دینامیک مولکولی
تولید یک پیکربندی اولیه: قسمت اول
شبیه سازی به مدت tMax: قسمت دوم
LOOP
یک پیکربندی جدید توسط حل معادلات حرکت تولید کن
بوسیله میانگین گیری زمانی کمیتهای مورد نظر را محاسبه کند
(time ≥ t Max) در حالی که
3- 2- مدل شبیه سازی
به منظور شبیه سازی یک سیستم مولکولی ابتدا باید از بر هم کنش بین ذرات آن سیستم و بر هم کنس بین ذرات و محیط اطلاعات صحیح در دسترس باشد. برای بدست آوردن این اطلاعات از یک مدل استفاده میشود. این مدل شامل یک انرژی پتانسیل بین مولکولی یا معادل آن تابع نیروی بین مولکولی است. بطور کلی میتوان انرژی پتانسیل یک سیستم متشکل از N اتم را به صورت مجموع جملاتی متشکل از پتانسیل ذرات انفرادی، جفتی، سه تایی و غیره به صورت رابطه ( ) در نظر گرفت.
(1- 4)
که در آن دلالت بر جمع روی همه جفت ذرات j, I بدون احتساب جملات تکراری دارد. اولین جمله در معادله (1- 4) u1 (ri) اثر یک میدان خارجی بطور مثال دیوارههای ظرف روی سیستم را نشان میدهد. بقیه جملات به بر هم کنشهای ذرات میپردازند. بر اساس این جداسازی بر هم کنش بین مولکول و بر هم کنش سیستم محیط مستقل از هم هستند. جمله دوم u2، پتانسیل جفتی مهم در این جمله است پتانسیل جفتی فقط به اندازه جدایی بین ذرات rij = | ri – rj
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : word (..DOC) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحه : 17 صفحه
قسمتی از متن word (..DOC) :
1
شیمی مولکولی
موضوع: دانش ها و فنون مرتبط با نانو
آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کردهاید تا آن را تحت فشار قرار دهید؟
چه اتفاقی میافتد وقتی پیستون سرنگ را فشار میدهید؟
هوا چگونه متراکم میشود؟ چگونه در یک فضای کوچکتر جا میگیرد؟
یک تکه اسفنج را میتوان در فضای کوچکتری متراکم کرد. علت تراکم اسفنج این است که در آن سوراخهای ریزی وجود دارد، وقتی اسفنج را فشار میدهیم هوای داخل این سوراخها خارج میشود و ماده جامد اسفنج به هم نزدیکتر میگردد. درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار میدهید؛ آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم میشود. "بویل"، دانشمند انگلیسی در سال 1662 میلادی مقداری جیوه – که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشهای پنچ متری ریخت. این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود. بویل مشاده کرد که با افزودن جیوه هوای به دام افتاده در سمتی که بسته است، متراکم میشود و فضای کمتری اشغال میکند. بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتمهای ریز، تشکیل شده باشد. میان اتمها فضایی است که در آن هیچ چیز نیست. وقتی هوا متراکم میشود، اتمها به هم نزدیکتر میشوند. بویل همان سالها در کتابی نوشت: "عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد. شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد سادهتر تجزیه کنند، آن ماده یک عنصر است."
دانشمندان بر مبنای این توصیه بویل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زیادی را که از این عناصر ساخته شده بود را بررسی کردند. بسیاری از مواد مرکب بررسی شده تا آن زمان از مولکولهای ساده ساخته شده بودند و هر کدام بیش از چند اتم نداشتند. کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتمها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال 1824 میلادی (1203 شمسی) "یوستون لیبینگ" و "فردریخ وهلر"، شیمیدان آلمانی درباره دوماده مرکب متفاوت تحقیق میکردند. هریک از آنها برای ماده مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتی آنها نتایج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند. با اینکه این دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگونی داشتند، مولکولهای آنها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتمهای هر عنصر در هر دو ماده یکسان بود. به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهای موجود در یک مولکول کافی نیست. و این اتمها باید آرایش ویژهای داشته باشند. بنابراین، آرایش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها میشود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.
با توجه به اینکه هم مولکولها و هم اتمها به قدری کوچک هستند که دیده نمیشوند، شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتمها را در مولکولها بیابند؟
نخستین گام را در این راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگلیسی برداشت. او مولکولهای آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتمِ یک نوع فلزِ، همیشه با تعداد مشخصی از مولکولهای آلی ترکیب میشود. او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد. او اسم این خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمهای لاتین به معنای "ظرفیت" یا "توانایی" است. برای مثال وقتی میگوییم:"ظرفیت هیدروژن «یک» است"، یعنی اتم هیدروژن تنها با یک اتم دیگر میتواند ترکیب شود. ظرفیت اکسیژن «دو»، نیتروژن «سه» و کربن «چهار» است. اسکات کوپرِ اسکاتلندی، نیز در 1858 میلادی نظریه "پیوندهای شیمیایی" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" یا "پیوند" به یکدیگر
2
متصل میشوند و مولکولهای مختلف را تشکیل میدهند. طبق نظریه او، هر اتم به اندازه "ظرفیت" یا "والانس" خود میتواند با اتمهای دیگر پیوند بدهد. کوپر همچنین پیشنهاد کرد که اتمها را با توجه به ظرفیتشان و تعداد پیوندهایی که میتوانند با سایر اتمها داشته باشند، به صورت ذیل نمایش دهند:
به این ترتیب میتوانیم مولکولها را با رسم پیوندهای میان اتمها، به شکل زیر نشان بدهیم:
استفاده از روش فوق برای نشان دادن ساختمان مولکولهای کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود، اما در مورد مولکولهای بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی میشد. از اینرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در موردِ مواد مرکب آلی برطرف کند. "فردریش آگوست ککوله" با توجه به این مسأله که هر اتم کربن ظرفیت اتصال به چهار اتم دیگر را دارد، توانست مسایل مربوط به تعداد زیادی از مولکولها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر میرسید- را حل کند.
امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن مولکولها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده میشود.
اما شیمیدانان ها چگونه میتوانند بین ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به اینکه از چه عناصر تشکیل شدهاند و دارای چه آرایشی هستند، خواص مختلفی دارند. برای مثال موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان میدهند در ساختار مولکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به اکسیژن متصل است و آن اتم اکسیژن هم با یک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پیوند دارد. حال اگر به جای اتم نافلز، یک اتم فلز مانند سدیم، کلسیم یا ... قرار گیرد، ترکیب به جای "خصلت اسیدی"، "خاصیت قلیایی" خواهد داشت.
در داروها و مولکولهای بزرگ، خواص ترکیب به عوامل متعددی بستگی دارد. در نانو فناوری که هدف ساختن مولکولی جدید با رفتاری خواص است، یک دانشمند شیمی مولکولی با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتمها را پیشنهاد میکند که خواصیت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوی دیگر باید بدانیم مولکولها صرفاً آنچه ما روی کاغذ رسم میکنیم نیستند. مولکولها دارای بعد هستند و فضا اشغال میکنند.
یک مولکول در فضا آرایشهای مختلفی را میتواند اختیار کند. درحال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک کامپیوتر میتوان آرایشهای مختلف را پیشبینی کرده و چگونگی قرار گرفتن اتمها را در کنار یکدیگر را بررسی کرد. همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی چه خواصی را موجب میشود. این کار نیز به واسطه اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ساختارهای مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذیر میباشد.
شاخهای از نانوفناوری که با بهرهگیری از شیمی مولکولی و روشهای محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتومی، آرایشهای متنوع مولکولها را بررسی میکند را نانوفناوری محاسباتی مینامند.
3
فناوری نانو چیست؟
نانوتکنولوژی، فناوری جدید است که تمام دنیا را فرا گرفته است و به تعبیر دقیقتر "نانوتکنولوژی بخشی از آینده نیست بکله همه آینده است" . در این نوشتار بعد از تعریف نانوتکنولوژی و بیان کاربردهای آن دلایل و ضرورتهای توجه به این فناوری آورده شده است:
تعریف نانوتکنولوژی و آشنایی با آن
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر میشود. از همین تعریف ساده برمیآید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن آوری را بهعنوان یک زمینه فرا رشتهای و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمایشها و تحقیقات پیرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه 80 قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .
استفاده از این فنآوری در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهای کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو بهعنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامهریزی علمی دقیق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرضاندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است.
نانوتکنولوژی و کاربردهای آن
علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبیعت در دهههای آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ی نده، همکاریهای تحقیقاتی میانرشتهای، آموزش خاص و انتقال ایدهها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به شرح
زیر میباشد:
4
1 – تولید ، مواد و محصولات صنعتی :
نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوکهای ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقّت کنترلشده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربهفرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها، ایجاد میکند. محقّقین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبودهاست. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبکتر، قویتر و قابل برنامهریزی ؛ کاهش هزینة عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنّی ؛ ابزارهایی نوین بر پایة اصول و معماری جدید ؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشهای که مزیّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
2- پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستمهای زنده را اداره میکند. یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیستشناسی و شبیهسازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
• فراتر از سهلشدن استفادة بهینه از دارو، نانوتکنولوژی میتواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو ( Drug Delivery ) تهیه کند، که بهنحو حیرتانگیزی توان درمانی داروها را افزایش میدهد.
• مواد زیستسازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، میتوان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئیسازی بکار میرود) درون سلولها وارد نمود.
• افزایش توان محاسباتی بوسیلة نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکههای ماکرومولکولی را در محیطهای واقعی ممکن میسازد. اینگونه شبیهسازیها برای بهبود قطعات کاشتهشدة زیستسازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.
3- دوامپذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:
نانوتکنولوژی چنان چ ه ذکر شد، منجر به تغییرات ی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوریهای جدید، امکان بازیافت و استفادة مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواه ن د کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی نانو، میتواند تأثیر قابل ملاحظهای ، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ میدهد ؛ در ایجاد و درمان مسائل زیستمحیطی از طریق کنترل انتشار آلایندهها ؛ در توسعة فنّاوریهای "سبز" جدید که محصولات جانبی ناخواستة کمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشتهباشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگیهای کوچک از منابع آبی (کمتر از 200 نانومتر) و هوا (زیر 20 نانومتر) و اندازهگیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی میتواند بهطور قابل ملاحظهای کارآیی، ذخیرهسازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد . به عنوان مثال، شرکتهای