شماره ركورد
23721
شماره راهنما
CHE3 243
عنوان
بررسي و مطالعه ي خواص ساختاري، ديناميكي و طيفي مايعات يوني دوكاتيوني با استفاده از شبيه سازي ديناميك مولكولي از اساس (AIMD)
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
شيمي - شيمي فيزيك
دانشكده
شيمي
تاريخ دفاع
1403/4/2
صفحه شمار
184 ص.
استاد راهنما
مجيد موسوي
كليدواژه فارسي
شبيه سازي ديناميك مولكولي از اساس , مايعات يوني دوكاتيوني , ميدان هاي نيروي مبتني بر OPLS , تابعي هاي DFT , تصحيح پراكندگي , نانوقطرات مايع يوني , خواص طيفي , خواص ديناميكي , خواص ساختاري , خواص حجمي
چكيده فارسي
در اين مطالعه، به منظور دستيابي به درك عميق تري از خواص مختلف مايعات يوني دوكاتيوني مبتني بر ايميدازوليوم در سطح مولكولي، شبيه سازي هاي ديناميك مولكولي از اساس (AIMD) بر روي مايعات يوني دوكاتيوني [C1(mim)2][PF6]2 و [C3(mim)2][NTF2]2 براي محاسبه ي خواص مختلف ساختاري، ديناميكي و طيفي آن ها انجام شد. در بخش اول اين پژوهش، ويژگيهاي مختلف طيفي، ساختاري، سطحي و ديناميكي نانوقطرات (خوشه ها) با اندازههاي مختلف مايع يوني دوكاتيوني ([C1(mim)2][PF6]2)، با استفاده از شبيهسازي ديناميك مولكولي از اساس مورد تجزيه و تحليل قرارگرفت و با خواص سيستم فاز توده مقايسه گرديد. براي درك برهم كنش ها و جهت گيري يون ها، خواص ساختاري قطرات، مانند انباشتگي π-π، توابع توزيع شعاعي، فاكتور ساختار، توابع توزيع تركيبي و توابع توزيع زاويه اي بررسي شد. ويژگيهاي ارتعاشي و قدرت پيوند هيدروژني قطرات با محاسبه ي طيفهاي مادون قرمز و هم چنين، سهم انواع مختلف پيوندهاي هيدروژني در هر مد ارتعاشي، با استفاده از طيف پاور تعيين گرديد. نتايج نشان داد، طيف مادون قرمز محاسبه شده مطابقت كلي خوبي با نتايج تجربي دارد. خواص سطحي قطرات و جهت گيري يون هاي آنها با استفاده از آناليزهاي پروفايل چگالي و سطح در معرض هر قطره مطالعه شد. نتايج نشان داد كه در همه ي سيستمهاي موردمطالعه، كاتيونها و آنيونها تقريبا به طور مساوي در لايههاي داخلي و خارجي قرار دارند و كاتيونها تمايل دارند به سمت مركز قطرات با زواياي منفرجه قرارگيرند. علاوه براين، با برونيابي چگالي قطرات، چگالي فاز توده با انحراف كمتر از 2 درصد پيشبيني شد. خواص ديناميكي مانند پيوندهاي هيدروژني، ميانگين مربع جابجايي و توابع همبستگي وان-هوف كاتيونها و آنيونها نيز موردبررسي قرارگرفت. نتايج نشان داد كه هيچ روند منظمي در خواص ديناميكي قطرات با افزايش اندازه¬ي سيستم وجود ندارد.
در بخش دوم اين پژوهش، ميدان نيروي OPLS-VSIL، به مايع يوني دوكاتيوني ([C3(mim)2][NTF2]2) توسعه يافت و توانايي ميدان هاي نيروي مختلف مبتني بر OPLS يعني OPLS2009IL، 0.8*OPLS-2009IL و OPLS-VSIL در پيشبيني خواص مختلف مايع يوني موردمطالعه با مقايسه نتايج آنها با شبيهسازي ديناميك مولكولي از اساس و نتايج تجربي ارزيابي گرديد. براي دستيابي به اين هدف، شبيهسازيهاي ديناميك مولكولي با سه ميدان نيروي مبتني بر OPLS و هم چنين شبيهسازي AIMD براي مايع يوني [C3(mim)2][NTF2]2 انجام شد و خواص ساختاري، ديناميكي، طيفي و حجمي آن بررسي گرديد. خواص ساختاري مانند توابع توزيع شعاعي، فاكتور ساختار و شبكه ي پيوند هيدروژني نشان داد كه در مقايسه با ميدان نيروي 0.8*OPLS-2009IL، توافق بسيار خوبي بين نتايج ميدان هاي نيروي OPLS-2009IL و OPLS-VSIL با نتايج شبيه سازي AIMD. وجود دارد. از سوي ديگر، نتايج خواص ديناميكي مانند ميانگين مربع جابجايي، توابع همبستگي وان-هوف و هم¬چنين ديناميك پيوند هيدروژني، جفت يون و قفس يوني نشان داد كه در هر دو ميدان نيروي 0.8*OPLS-2009IL و OPLS-VSIL، ديناميك سيستم تقريباً مشابه است و در مقايسه با ميدان نيرويOPLS-2009IL ، توافقات بهتري با نتايج تجربي وجود دارد. بنابراين، مي توان مشاهده كرد كه اگرچه كاهش بار مايع يوني موردمطالعه به ميزان 20 درصد منجربه افزايش ديناميك سيستم مي شود، اما نوع توزيع بارهاي جزئي روي هر اتم تأثير قابل توجهي بر ديناميك سيستم ندارد. طيف مادون قرمز و پاور محاسبهشده نشان داد كه ويژگيهاي ارتعاشي مايع يوني موردمطالعه در سه ميدان نيروي مبتني بر OPLS عمدتاً يكسان است و كاهش بار كل و نحوه ي توزيع بارهاي جزئي تأثير معنيداري بر ويژگي هاي ارتعاشي سيستم موردمطالعه ندارد. علاوه براين، در خواص حجمي، ميدان نيروي OPLS-VSIL تا حدودي مطابقت بهتري با نتايج تجربي نشان ميدهد. به طور كلي، ارزيابي خواص مختلف ساختاري، ديناميكي، ارتعاشي و حجمي مايع يوني [C3(mim)2][NTF2]2 نشان ميدهد كه ميدان نيرويOPLS-VSIL ممكن است بهترين انتخاب در بين سه ميدان نيروي OPLS موردمطالعه باشد.
كليدواژه لاتين
Ab initio molecular dynamics (AIMD) simulation , Dicationic ionic liquids (DILs) , OPLS-based force fields , DFT function , Dispersion correction , Ionic liquid nanodroplets , Vibrational properties , Dynamical properties , Structural properties , Volumetric properties
عنوان لاتين
Investigation of structural, dynamical and spectroscopic properties of dicationic ionic liquids using ab initio molecular dynamics simulations
گروه آموزشي
شيمي فيزيك
چكيده لاتين
In this study, we want to gain a deeper understanding of the various molecular properties of imidazolium-based dicationic ionic liquids (DILs) at the molecular level. So, we conducted ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations on two DILs, namely [C1(mim)2][PF6]2 and [C3(mim)2][NTF2]2, to calculate their structural, dynamical, and vibrational properties. The initial part of our research focused on investigating the behavior of nanodroplets of [C1(mim)2][PF6]2 using AIMD simulations. The vibrational features as well as the structural, interfacial, and dynamical properties of different sized droplets were analyzed and compared to the bulk phase system. Structural properties of the droplets, such as π−π stacking, radial distribution functions (RDFs), structure factors, combined distribution functions (CDFs), and angular distribution functions (ADFs) were analyzed to understand the interactions and orientations of their ions. The vibrational features and hydrogen bonding strength of droplets were studied by calculating their infrared (IR) and power spectra, determining the contribution of different types of hydrogen bonding to each vibrational mode. The calculated spectra showed good overall agreement with the experimental results. The interfacial properties of the droplets and the orientation of their ions were analyzed using density profiles and the exposed surface. The results showed that, in all systems studied, cations and anions were equally likely to exist in both inner and outer layers, and the cations tended to be oriented toward the center of droplets with obtuse angles. Additionally, the droplet densities were extrapolated to predict the bulk phase density with less than 2% deviation. The dynamical properties of hydrogen bonds, mean square displacement, and van Hove correlations of cations and anions were also analyzed. The results indicated that there was no regular trend in the dynamic properties of droplets with an increasing system size.
In the second part of this research, the OPLS-VSIL force field (FF) was extended to DILs and evaluated the ability of different OPLS-based FFs (i.e., OPLS-2009IL, 0.8*OPLS-2009IL, and OPLS-VSIL) in predicting different properties of the studied DIL by comparing their results with AIMD simulation and experimental results. To achieve this purpose, MD simulations with three different OPLS-based FFs as well as AIMD simulation were performed for [C3(mim)2][NTF2]2 DIL and its structural, dynamical, vibrational, and volumetric properties were analyzed. Structural properties of the studied DIL i.e., RDFs, structure factor, and hydrogen-bond network showed that compared to 0.8*OPLS-2009IL FF, there is a much better agreement between the results of both OPLS-2009IL and OPLS-VSIL FFs with the AIMD simulation. On the other hand, the results of dynamical properties such as mean square displacements, van Hove correlation functions as well as hydrogen bond, ion pair, and ion cage dynamics depicted that in both 0.8*OPLS-2009IL and OPLS-VSIL FFs, the dynamics of the system is almost similar, and compared to OPLS-2009IL FF, they have better agreements with experimental results where they exist. So, it can be seen that although reducing the total charge of studied DIL by 20% leads to an increase in the dynamics of the system, the type of distribution of partial charges on each atom does not significantly affect the system’s dynamics. The calculated IR and power spectra showed that the vibrational features of studied DIL in three OPLS-based FFs are mostly the same and reducing total charge and different type distribution of partial charges have no significant effect on the studied system.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
34152
نويسنده