1-5-7- شفافیت نوری…………………………………………………………………………………………………….18
1-5-8- مقاومت مکانیکی………………………………………………………………………………………………..19
1-6- کاربردهای گرافن………………………………………………………………………………………………….19
1-6-1- ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک و بسیار سریع با استفاده از گرافن…………………..19
1-6-2- ذخیره بسیار متراکم داده ها………………………………………………………………………………..20
1-6-3- ذخیره انرژی……………………………………………………………………………………………………20
1-6-4- تجهیزات نوری ،سلول های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر…………….21
1-7- روشهای تولید گرافن…………………………………………………………………………………………..21
1-7-1- لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت……………………………………………………………….22
1-7-2- تولید گرافن از اکسید گرافیت………………………………………………………………………….22
1-7-3- تولید گرافن از مشتقات دیگر گرافیت………………………………………………………………24
1-7-4- تولید ورقه های گرافن به روش سنتز الکتروشیمیایی………………………………………….24
1-8- دگر شکل های کربن (آلوتروپ ها)…………………………………………………………………….26
1-8-1- الماس…………………………………………………………………………………………………………26
1-8-2- گرافیت……………………………………………………………………………………………………….26
1-8-3- فولرن………………………………………………………………………………………………………….27
1-8-3-1- فولرن باکمینستر……………………………………………………………………………………….28
1-8-3-2- نانو لوله های کربنی………………………………………………………………………………….28
1-8-4- الیاف کربن………………………………………………………………………………………………….29
فصل دوم: پروتئین و مولکول آب
2-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………31
2-2- ساختار پروتئین…………………………………………………………………………………………………32
2-2-1- ساختار اول………………………………………………………………………………………………….32
2-2-2- ساختار دوم………………………………………………………………………………………………….32
2-2-2-1- مارپیچ آلفا……………………………………………………………………………………………….32
2-2-2-2- صفحه های بتا…………………………………………………………………………………………33
2-2-3- ساختار سوم………………………………………………………………………………………………..33
2-2-4- ساختار چهارم……………………………………………………………………………………………..33
2-3- اسیدآمینه………………………………………………………………………………………………………..34
2-4- ساختار اسیدهای آمینه……………………………………………………………………………………..35
2-5- ایزومری در اسیدهای آمینه……………………………………………………………………………..36
2-5-1- ساختار و نماد تعدادی اسیدآمینه…………………………………………………………………..36
2-6- مولکول آب………………………………………………………………………………………………….46
2-6-1- مدلهای آب……………………………………………………………………………………………….46
فصل سوم: دینامیک مولکولی
3-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………51
3-2- معادلات حرکت………………………………………………………………………………………………….53
3-3- دینامیک نیوتنی………………………………………………………………………………………………….54
3-4- شرایط مرزی تناوبی…………………………………………………………………………………………..56
3-4-1- اثرات سطحی……………………………………………………………………………………………….56
3-4-2- از بین بردن اثرات سطحی……………………………………………………………………………..57
3-5- نیروهای کوتاه برد……………………………………………………………………………………………..59
3-6- محاسبه نیروهای بلند برد……………………………………………………………………………………60
3-7- سازماندهی شبیه سازی………………………………………………………………………………………60
3-7-1- شرایط حالت………………………………………………………………………………………………..60
3-8- شرایط مرزی……………………………………………………………………………………………………61
3-9- سازماندهی شبیه سازی……………………………………………………………………………………..61
3-9-1- مرحله آغازین………………………………………………………………………………………………61
3-9-2- مقدمات………………………………………………………………………………………………………61
3-9-3- شرایط اولیه برای اتمها………………………………………………………………………………….62
3-10- تعادل……………………………………………………………………………………………………………62
3-11- تولید…………………………………………………………………………………………………………….64
3-12- ارزیابی قابل اطمینان بودن نتایج……………………………………………………………………….64
3-12-1- تعادل………………………………………………………………………………………………………..64
3-12-2- بررسی قوانین بقا……………………………………………………………………………………….64
3-12-3- بررسی مقادیر خواص مختلف…………………………………………………………………….65
فصل چهارم: معرفی پتانسیل ها و نرم افزارهای بکار رفته
4-1- پتانسیل ترسوف…………………………………………………………………………………………….67
4-2- پتانسیل لنارد-جونز……………………………………………………………………………………….68
4-3- میدان نیروی چارم…………………………………………………………………………………………70
4-4- ویژگیها و قابلیتهای برنامه لمپس…………………………………………………………………….71
4-5- نرم افزار پکمول……………………………………………………………………………………………72
فصل پنجم: شبیه سازی و نتایج
5-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………….75
5-2- شروع شبیه سازی…………………………………………………………………………………………75
5-3- نتایج شبیه سازی…………………………………………………………………………………………..78
5-3-1- نوسانات دما بر حسب زمان شبیه سازی………………………………………………………79
5-3-2- نوسانات فشار حول مقدار متوسط یک اتمسفر…………………………………………….81
5-3-3- نوسانات چگالی سیستم در طول زمان شبیه سازی………………………………………..82
5-3-4- تغییرات شعاع ژیراسیون پروتئین………………………………………………………………..83
5-3-5- بررسی انرژی واندروالسی……………………………………………………………………………..86
5-3-6- فاصله پروتئین و گرافن بر حسب زمان…………………………………………………………..88
5-3-7- تغییرات فاصله اسیدآمینه ها و گرافن بر حسب زمان………………………………………..89
5-3-8- بررسی حرکت پروتئین بر روی سطح گرافن…………………………………………………..91
5-4- نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………….92
فهرست منابع…………………………………………………………………………………………………………..94
چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………………….97
فهرست شکل ها

عنوان صفحه
شکل (1-1): ساختار شبکه شش ضلعی گرافن………………………………………………………………..8
شکل(1-2): ترکیبات بین لایه ای گرافیت……………………………………………………………………….10
شکل(1-3-الف): سوسپانسیون ساخته شده به وسیله برودی………………………………………………12
شکل (1-3-ب): تصویری از تکه ی خیلی نازک از گرافیت اکسید کاهش یافته در سال 1962..12
شکل(1-4-الف): نانو مداد………………………………………………………………………………………………14
شکل(1-4-ب): تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از گرافن ضخیم……………………………….14
شکل (1-5-الف): یک کلوخه از گرافیت………………………………………………………………………….14
شکل(1-5-ب): چسب…………………………………………………………………………………………………..14
شکل (1-6): انرژی الکترون ها با عدد موج kدر گرافن،محاسبه شده به وسیله
تقریب تنگ بست………………………………………………………………………………………………………..15
شکل( 1-7): ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری زیک زاکی………………………………….16
شکل (1-8): ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری صندلی دسته دار………………………….16
شکل (1-9): اولین تصویر میکروسکوپی منتشر شده از گرافن……………………………………………19
شکل(1-10): طول پیوند کربن-کربن در گرافن……………………………………………………………….19
شکل(1-11): شمای کلی از فرآیندHummers ………………………………………………………………22
شکل( 1-12): امواج ماورای صوت……………………………………………………………………………… 23
شکل(1-13): نمایی کلی از مراحل تولید گرافن از گرافیت………………………………………………..23
شکل(1-14): تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از صفحات انباشته شده و کاهش یافته
اکسیدگرافیت…………………………………………………………………………………………………………….26
شکل(1-15): سلول الکتروشیمیایی…………………………………………………………………………………25
شکل( 1-16): نمونه ای از الگوی آزمایشگاهی سلول الکتروشیمیایی برای تولید گرافن………..25
شکل(1-17): ساختار مکعبی الماس……………………………………………………………………………….26
شکل (1-18): کانی گرافیت………………………………………………………………………………………….27
شکل(1-19): توپ باکی ،فولرن…………………………………………………………………………………….28
شکل(1-20): تصویر سه بعدی از یک لوله کربنی…………………………………………………………….29
شکل(1-21): پارچه ساخته شده از الیاف کربن………………………………………………………………..29
شکل(2-1): نمایشی سه بعدی از ساختار میوگلوبین…………………………………………………….31
شکل(2-2): ساختار دوم قسمتی از یک پروتئین……………………………………………………………33
شکل(2-3): ساختارعمومی آلفا آمینواسید با گروه آمینو در چپ و گروه کربوکسیل در راست………………………………………………………………………………………………………………………..35
شکل(2-4): آلانین……………………………………………………………………………………………………….36
شکل(2-5): آرژنین………………………………………………………………………………………………………37
شکل(2-6): آسپاراژین…………………………………………………………………………………………………37
شکل(2-7): اسید آسپارتیک…………………………………………………………………………………………38
شکل(2-8): سیستئین……………………………………………………………………………………………………..38
شکل(2-9): اسیدگلوتامیک……………………………………………………………………………………………..39
شکل(2-10): گلوتامین…………………………………………………………………………………………………..39
شکل(2-11): گلیسین……………………………………………………………………………………………………..39
شکل(2-12): هیستیدین………………………………………………………………………………………………….40
شکل(2-13): ایزولوسین…………………………………………………………………………………………………41
شکل(2-14): لوسین………………………………………………………………………………………………………41
شکل(2-15): لیزین………………………………………………………………………………………………………..41
شکل(2-16): متیونین……………………………………………………………………………………………………..42
شکل(2-17): فنیل آلانین………………………………………………………………………………………………..42
شکل(2-18): پرولین………………………………………………………………………………………………………42
شکل(2-19): ترئونین……………………………………………………………………………………………………..43
شکل(2-20): تریپتوفان……………………………………………………………………………………………………44
شکل(2-21): تیروزین……………………………………………………………………………………………………..44
شکل(2-22): والین…………………………………………………………………………………………………………45
شکل(2-23): سلنوسیستئین……………………………………………………………………………………………..45
شکل(2-24): پیرولیزین…………………………………………………………………………………………………..45
شکل(2-25): مولکول آب………………………………………………………………………………………………46
شکل(2-26): مدلهای آب……………………………………………………………………………………………….48
شکل(2-27): مدل SPCانعطاف پذیر……………………………………………………………………………….49
شکل(3-1): شرایط مرزی تناوبی………………………………………………………………………………………58
شکل(3-2): تقریب قطع کروی برای محاسبه ی نیروهای کوتاه برد در دو بعد……………………….59
شکل(3-3): محاسبه ی نیرو های بلند برد…………………………………………………………………………60
شکل(4-1): پتانسیل لنارد-جونز………………………………………………………………………………………70
شکل(5-1): سیستم شامل: آب، پروتئین و گرافن…………………………………………………………………76
شکل(5-2): اتم کربن حلقه فنیل……………………………………………………………………………………..77
شکل(5-3): حالت اولیه سیستم شبیه سازی بعد از تعادل گرمایی t=0………………………………….79
شکل(5-4): حالت نهایی سیستم شبیه سازی در t=2ns………………………………………………………79
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول(2-1): پارامترهای مرتبط با مدلهای سه نقطه ای آب…………………………………………………48
جدول( 4-1): ضرایب پتانسیل ترسوف برای اتم کربن……………………………………………………….68
فهرست نمودارها
عنوانصفحه
نمودار(5-1): دما بر حسب زمان در محیط آبی…………………………………………………………………..80
نمودار(5-2): دما بر حسب زمان در محیط بدون آب…………………………………………………………..81
نمودار(5-3): فشار بر حسب زمان در محیط آبی…………………………………………………………………82
نمودار(5-4): چگالی بر حسب زمان در محیط آبی………………………………………………………………83
نمودار(5-5): تغییرات شعاع ژیراسیون بر حسب زمان در محیط آبی………………………………………85
نمودار(5-6): تغییرات شعاع زیراسیون در محیط بدون آب…………………………………………………….86
نمودار(5-7): کاهش ارتفاع بر حسب کاهش انرژی برهمکنشی واندروالسی…………………………….87
نمودار(5-8): تغییرات انرژی برهمکنشی واندروالسی بر حسب زمان……………………………………..88
نمودار(5-9): تغییرات فاصله پروتئین بر حسب زمان…………………………………………………………..89
نمودار(5-10): فاصله اسیدآمینه ها از سطح گرافن بر حسب زمان…………………………………………90
نمودار(5-11): مسیر حرکت پروتئین در فضای بالای گرافن در حضور آب……………………………91
نمودار(5-12): نمودار مربوط به این بررسی در محیط بدون آب می باشد……………………………..92
چکیده فارسی
در این پژوهش حرکت پروتئین در حضور گرافن به روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم شامل یک پروتئین و یک گرافن است که درون جعبه ای قرار گرفته اند. پتانسیل های مناسبی برای بر همکنش های بین مولکولی، از جمله پتانسیل ترسوف و میدان نیروی چارم استفاده شده است. در این تحقیق نشان داده شده است که پروتئین می تواند در روی سطح گرافن مقید شود. در این پایان نامه به بررسی انرژی بر هم کنشی واندروالسی بین پروتئین و گرافن پرداختیم و نشان دادیم که انرژی واندروالسی با کاهش فاصله پروتئین از گرافن کاهش می یابد که این می تواند دلیلی بر مقید شدن پروتئین به گرافن باشد. شعاع ژیراسیون پروتئین، آبدوستی و آبگریزی اسیدهای آمینه پروتئین، مساحتی که پروتئین بیشترین زمان را روی سطح گرافن می گذارد، از کمیت های دیگری است که به آنها پرداخته شده است. یافته هایی که به دست می آیند در حوزه پزشکی و زیست مولکولی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
پیشگفتار
اخیراً برهمکنش گرافن عامل دار با چند نوع آنزیم مورد بررسی قرار گرفته است. عامل دار کردن گرافن موجب شد تا پایداری گرمایی و عملکرد آنزیم ها بهبود یابد. این یافته هم در صنعت و هم حوزه زیست مولکولی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. یکی از حوزه های کاری در نانو زیست فناوری، طراحی و ساخت نانو مواد برای استفاده در زیست شناسی است. تاکنون گزارش های متعددی از اثر نانو مواد روی بافت ها، سلول ها و زیست مولکول ها منتشر شده است که مکانیسم این تاثیرات غالباً شناخته شده نیست. بنابراین لازم است تا برهمکنش میان نانو مواد و زیست مولکول ها مورد بررسی قرار گیرد. آنزیم ها نوعی از زیست مولکول ها هستند که واکنش های زیستی را مدیریت می کنند. آنچه اکنون مورد توجه پژوهشگران بوده است تنظیم فعالیت و پایداری آنزیم ها است. درسال های اخیر تنظیم کننده های آنزیمی مختلفی از پروتئین ها گرفته تا پپتیدها و مولکول های آلی سنتزی کشف شده است که به نظر می رسد نانو مواد می توانند به عنوان جایگزینی برای این تنظیم کننده ها باشد.از طرف دیگر شبیه سازی دینامیک مولکولی سیستم های ابعاد کوچک که شامل مولکول های زیستی هستند، اهمیت زیادی در علم نانو، بیوفیزیک و بیوشیمی دارند. در این پایان نامه سعی خواهیم کرد به بررسی دینامیک پروتئین آنتی میکروبیال(2OTQ) در مجاورت گرافن و آب با استفاده از شبیهسازی دینامیک مولکولی (MD) بپردازیم این پروتئین در طول شبیه سازی اثرات جالبی از خود نشان می دهد.
تبیین مسئله
در این پایان نامه حرکت و دینامیک پروتئین در سطح گرافن را یکبار در محیط آبی و یکبار هم در محیط بدون آب شبیه سازی کرده ایم. این مسئله با استفاده از دینامیک مولکولی شبیه سازی شده است. در اینجا سیستم شبیه سازی حاوی یک گرافن، یک پروتئین و مقداری آب است که در یک جعبه ی مکعبی شکل قرار دارند. بررسی ها در راستای محور z انجام شده است. پروتئین و گرافن را در داخل جعبه شبیه سازی قرار داده می شوند. سپس یکبار تعداد زیادی مولکول آب تقریبآ(6000) را در این جعبه قرار داده تا مولکول های پروتئین و گرافن در داخل آب قرار بگیرند. تعداد این مولکول های آب بستگی به ابعاد جعبه، گرافن و پروتئین دارد و بعد برهمکنش را بررسی می شود. بار دوم برهمکنش پروتئین و آب را در محیط بدون آب بررسی شده و بعد پتانسیل ها را تعریف می شود. بعد سیستم تحت تاثیر این پتانسیل ها و نیروهایی که وارد می شود شروع به حرکت می کند. در حین حرکت مولکول ها خواص ترمودینامیکی و هندسی مسئله را حساب کرده و بصورت خروجی دریافت می شود. نرم افزاری که این شبیه سازی را با آن انجام شده لمپس1[1] بوده و از کد C++نیز استفاده شده است. پروتئینی که در این پایان نامه استفاده شده (2OTQ) می باشد. سایز این پروتئین کوچک و دارای طول شش رزیجو است. تعداد اتم های موجود در این پروتئین در حدود 143 اتم می باشد. این پروتئین دارای خاصیت ضد باکتری و ضدمیکروب است و معروف به آنتی میکروبیال می باشند. از میدان نیرویی(میدان نیروی چارم227) [2و3] که مخصوص پروتئین ها است نیز استفاده شده است. توضیحات کامل این میدان نیرو در فصل 4 آورده شده است [12و4و8] .
1. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator
2.CHARMM27 (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics)
اما گرافن نیز در این سیستم وجود دارد که دارای 1008 عدد اتم کربن می باشد و اما پتانسیل سه جسمی ترسوف3[4و5] نیز برای برهمکنش های اتم های کربن گرافن با خودش در نظر گرفته شده است. این پتانسیل در فصل 4 توضیح داده شده است. این برهمکنش دوبار بررسی شده است یکبار در محیط آبی و بار دیگر محیط بدون آب. بنابراین لازم می باشد که به توضیح این مولکول نیز پرداخته شود که در فصل 2 به آن پرداخته شده است. آب دارای مدل های گوناگون می باشد دراین برهمکنش از مدل(TIP3P)[6و7] استفاده شده است.
اهمیت موضوع
گرافن یک مولکول نانویی می باشد و از جمله نانو مواد محسوب می شود و نانو مواد می توانند به عنوان جایگزینی برای تنظیم کننده های آنزیمی مختلف از پروتئین ها گرفته تا پپتیدها باشند. گروه بزرگی از آنزیم ها در صنعت و پزشکی کاربرد دارند. از طرف دیگر فناوری نانو یکی از آخرین دستاوردهای علمی است. طبق بررسی ها، فناوری نانو از جمله موارد رو به گسترش و مورد توجه اجتماعی- اقتصادی است. بحث هایی کم و بیش در زمینه کاربرد این نوع فناوری چه منتقدانه و یا طرفدارانه وجود دارد و چون پروتئین های ضد میکروب تمایل زیادی به اتصال به رشته های باکتریایی مهم را دارند می توان استفاده پزشکی آنها را نیز مد نظر قرار داد و نکته دیگر اینکه انواع مختلفی از آنها را می توان در طبیعت پیدا کرد.
در فصل اول این پایان نامه به بررسی ویژگی های گرافن، ساختار، تاریخچه، روش های تولید، خواص و کاربردهای گرافن پرداخته شده است.
3.Tersoff
در فصل دوم ویژگی های اسید آمینه ها که ساختار پروتئین ها را تشکیل می دهند را بررسی خواهیم کرد و در ادامه به توضیح چند مدل از آب که در شبیه سازی می توان استفاده کرد خواهیم پرداخت.
در فصل سوم به دینامیک مولکولی خواهیم پرداخت شبیه سازی دینامیک مولکولی روشی مناسب برای مدل سازی میکروسکوپی در مقیاس اتمی و مولکولی فراهم می کند.
در فصل چهارم نرم افزار ها و پتانسیل هایی را که استفاده کرده ایم، را توضیح خواهیم داد. در اینجا ابتدا پتانسیل ترسوف و لنارد-جونز [8] و میدان نیروی چارم 27 را توضیح می دهیم و بعد نرم افزار لمپس را که برای شبیه سازی دینامیک مولکولی هست و سپس نرم افزار پکمول را که برای ایجاد پیکربندی اولیه کاربرد دارد را توضیح می دهیم.
در فصل پنجم به توضیح شبیه سازی و نتایج آن می پردازیم. روش هایی را که استفاده کرده ایم را خواهیم گفت و سپس نتایج حاصل از شبیه سازی را توضیح می دهیم. فاصله متوسط پروتئین از گرافن، انرژی واندروالسی برهمکنشی بین گرافن و پروتئین بر حسب زمان، آبدوستی و آبگریزی اسیدهای آمینه پروتئین، شعاع ژیراسیون پروتئین بر حسب زمان و مساحتی که پروتئین بیشترین زمان را روی گرافن می گذارد از جمله کمیت هایی هستند که محاسبه شده اند و در نهایت به نتیجه گیری از این شبیه سازی ها خواهیم پرداخت.
فصل اول :
گرافن
1-1- مقدمه:
گرافن نام یکی از آلوتروپ‌های کربن است.در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ‌های کربن)، هر کدام از اتم‌های چهار ظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌ است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌ است، اما این پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوک مداد به کار بروند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده ‌است. هر چند نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس درباره ی گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه ی مرمین- واگنر در مکانیک آماری و نظریه ی میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده ی دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه ی مرمین- واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزه ی نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت[9].
1-2- معرفی گرافن:
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد(شکل 1-1). گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی[10] و خواص مکانیکی[11] به ماده‌ای منحصر بفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود142/0نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله بین صفحه‌ای 335/0 نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فولرین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافنی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافن کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می‌نامند. گرافن خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد [12].درگرافن طیف حامل‌ها شبیه به طیف فرمیون‌های دیراک بدون جرم می‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح وکسری، در این سامانه باعث شده است که توجه بسیاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک به آن جلب شود.
(شکل1-1):ساختار شبکه شش ضلعی گرافن
علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافن بطور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافن موجود در سامانه مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافن تک لایه تقریباً برابر با ۹۷ درصد ومقاومت صفحه آن ۲/۲ می‌باشد وگذردهی نوری برای گرافن‌های دو لایه، سه لا یه و چهار لایه به ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحه به ترتیب 100، ۷۰۰ و ۴۰۰ است که نشان دهنده آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافن گذردهی نوری سامانه کم می‌شود.
خواص منحصر بفرد گرافن آن راکاندیدای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف و حسگرها قرار داده است. همچنین رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافن، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع کننده نور4 معرفی می‌کند. بکار گیری بسیاری از این سامانه‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافنی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست.
4.OLED
1-3-تاریخچه کشف گرافن
اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1986 معرفی شد که از ترکیب کلمه ی گرافیت و یک پسوند (ان) که به هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه‌ای5اشاره دارد ایجاد شد. این نام برای توصیف یک تک لایه از گرافیت در یک ساختار بزرگتر مانند ترکیبات بین لایه ای گرافیت6مورد استفاده قرار گرفت (شکل 1-2) ترکیبات بین لایه ای گرافیت را نشان می دهد. هر چند که این مفهوم به طور تئوری نخستین بار در سال 1947 توسط فیلیپ والاس به عنوان یک نقطه شروع برای درک خواص الکترونیکی گرافیت سه بعدی مطرح شد[13]پس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفت اما قضیه‌ای به نام قضیه ی مرمین-واگنر درمکانیک آماری و نظریه ی میدان‌های کوانتومی (بر اساس علم فیزیک) وجود داشت که ساخت یک ماده ی دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار و صرفاً یک ماده نظری می‌دانست.
شکل (1-2): ترکیبات بین لایه ای گرافیت7
همین مسئله باعث شد با وجود اینکه این ماده توسط افرادی ساخته شده بود در طی سال ها همچنان
ناشناخته باقی بماند و تا سال 2004 هیچگونه توجهی به بررسی خصوصیات گرافن نشود.
5- Polycyclic
Graphite Intercalation Compound- 6
graphite intercalation compounds-7
در طی سال ها تک لایه هایی از گرافیت در یک ساختار بزرگتر مانند ترکیبات بین لایه ای گرافیت با میکروسکوپ الکترونی عبوری دیده شدند. ساختارهایی که در واقع اکسید گرافن (ورقه ی ازگرافن که با گروه های هیدروکسیل و اپوکسید پوشیده شده است) یا اکسید گرافن کاهش یافته8 بودند که با میکروسکوپ الکترونی عبوری ( اکسید گرافن توسط روئس و ووگت، 1948 و اکسید گرافن کاهش یافته توسط بوئم و هوفمن، دیده شدند. ساخت گرافن اکسید به سال 1859 بر می گردد. با قرار دادن گرافیت در اسیدهای قوی، ماده ای بدست آمد که در آن زمان کربونیک اسید نام گرفت [14]. برودی تصور می کرد که فرم جدیدی از کربن با وزن مولکولی 33 به نام گرافون کشف کرده است. ولی در واقع بعدها مشخص شد که او یک سوسپانسیون از بلورهای کوچک گرافن اکسیدساخته است (شکل 1-3- الف) [15] . در سال 1948، روئس و ووگت میکروسکوپ الکترونی عبوری را به کار بردند و بعد از خشک کردن یک قطره از سوسپانسیون گرافن اکسید بر روی گرید2، تکه هایی با ضخامت کمتر از چند نانومترمشاهده کردند [16] . در سال 1962 بوئم و هوفمن جستجوی زیادی برای پیدا کردن نازکترین قطعه از گرافن اکسید کاهش یافته انجام دادند و تعدادی تک لایه پیدا کردند (شکل 1-3- ب) [17] .
ولی این مشاهدات تا سال های 2009 الی 2010 توجه زیادی به خود معطوف نکرد. در واقع بوئم و هوفمن در تشخیص سال 1962 به کانتراست نسبی9استناد کرده بودند که روشی است که پایه ی تحقیقات دقیق امروز نمی باشد.
با این وجود، امروزه کار بوئم و هوفمن (1962) به عنوان اولین مشاهده ی ورقه های گرافن با میکروسکوپ الکترونی عبوری در نظرگرفته می شود. با شروع دهه ی 1970، گرافن تک لایه برای اولین بار بر روی سطح مواد دیگر با استفاده از روش رشد همبافته10تولید شد[18] . این گرافن ایجاد شده شامل یک شبکه شش ضلعی از اتم های کربن پیوند شده با هیبریدsp2 با ضخامت یک اتم بود. فیلم رشد یافته معمولاً با استفاده از روش های علمی سطح، تجزیه و تحلیل می شد که در واقع در ناحیه ی بزرگی متوسط گیری می شد و هیچگونه بحثی در مورد کیفیت و پیوستگی این لایه ها نمی شد.
8.Reduced Graphene Oxide
9.TEM

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

Epitaxial Growth10.
شکل(1-3-الف): سوسپانسیون ساخته شده به وسیله ی برودی و(1-3-ب): تصویر از تکه ی خیلی نازکی از گرافیت اکسید کاهش یافته در سال 1962 [19]
با این حال، در بعضی موارد انتقال بار قابل توجه از بستر به گرافن رشد یافته و در برخی موارد، هیبریداسیون بین اوربیتال d از اتم بستر و اوربیتال π از گرافن اتفاق می افتاد. این به طور قابل توجهی منجر به تغییر ساختار الکترونیکی گرافن رشد یافته می شد [20].
همچنین با شروع سال 1990 تلاش های بسیاری برای ایجاد فیلم های بسیار نازک از گرافیت با خراش دادن و یا مالش گرافیت در برابر یک سطح دیگر (ورقه شدن میکرومکانیکی) انجام شد اما در طول این سال ها (تا سال 2004) هیچ ماده ی کربنی نازک تر از 50 تا 100 لایه تولید نشد.
در سال 2000، کیم و همکارانش روش ورقه شدن میکرومکانیکی را تا حدی اصلاح کردند و یک مداد با تکنولوژی بالا11ایجاد کردند. آنها یک میکروکریستال از گرافیت را به بازوی تیرک یک میکروسکوپ نیروی اتمی12متصل کردند و نوک این میکروکریستال را در طول یک ویفر سیلیکون (شبیه به نوشتن با یک مداد) خراش دادند. با این روش ماده ای به ضخامت چند ده لایه ی اتمی بدست آمد و مواد بدست آمده در واقع گرافیت نازک بود، نه گرافن (شکل1-14) به این ترتیب کسی واقعاً انتظار نداشت که چنین ماده ای (گرافن) درطبیعت وجود داشته باشد این فرض بدبینانه تا سال 2004 باقی ماند.
11.Nanopencil
12.AFM
(شکل1-4- الف): نانومداد(شکل 1-4- ب):تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از گرافن ضخیم [21]
در سال 2004، یک گروه از فیزیکدانان از دانشگاه منچستر بریتانیا به رهبری آندره گایم و کنستانتین نووسلف تغییری در مورد فرضیه ی بی ثباتی گرافن ایجاد کردند و نشان دادند که قضیه ی مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. آنها یک روش متفاوت و در نگاه اول ساده لوحانه برای بدست آوردن گرافن ارائه دادند که منجر به تحولی عظیم در این رشته شدند. آنها با استفاده از چسب نواری یک تک ورقه ی گرافن )یک مونو لایه از اتمهای کربن) را از گرافیت با روش ورقه ورقه شدن میکرومکانیکی13جدا کردند و سپس آن را به یک ویفر سیلیکون که با ورقه ی نازکی ازSiO2 پوشیده شده بود منتقل کردند که می تواند به این شکل در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گیرد (شکل1-5). جایزه ی نوبل فیزیک 2010 نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.
(شکل 1-5- الف): یک کلوخه از گرافیت، (شکل 1-5- ب): چسب و(شکل 1-5- ج): یک ترانزیستور گرافن [22]
13.Scotch® tape technique
کشف گرافن به سیل عظیمی از تحقیقاتی بین المللی منجر شده است. با این حال، مانند دیگر فرمهای دیگر تازه کشف شده از کربن، مانند فولرن ها و نانولوله های کربنی(CNTS) ، در دسترس بودن مواد و فرآیندپذیری، عوامل محدود کننده سرعت در مراحل ارزیابی کاربرد گرافن می باشد.
برای گرافن، یک چالش مهم، سنتز و تولید گرافن خالص با کیفیت و در مقیاس بالا می باشد[23].
1-4- ساختار اتمی
ساختار اتمی تک لایه ی مجزای گرافن به روش میکروسکوپی عبوردهی الکترونی14بر روی ورقه‌هایی از گرافن که در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده‌اند، مطالعه شده است. طرح‌های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافن را نشان داده‌اند. علاوه بر این، گرافن از خود اعوجاج‌هایی را بر روی این ورقه‌های تخت نشان داده‌اند، با دامنه‌ای در حدود یک نانومتر. این اعوجاج‌ها ممکن است خصلت ذاتی ای برای گرافن به خاطر ناپایداری کریستال‌های دو بعدی باشد، و یا حتی ممکن است در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی‌هایی که در سرتاسر گرافن وجود دارند و کاملاً به توسط تصاویر15 تهیه شده از گرافن مشاهده شده‌اند، به وجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمی گرفته شده از تک لایه ی مجزای گرافن قرار گرفته بر روی زیر لایه یSiO2 به وسیله ی روش میکروسکوپی تونل زنی اسکن کننده16 تهیه شده‌اند. این تصاویر نشان دادند که اعوجاج‌های تک لایه ی گرافن قرار گرفته بر روی زیر لایه ی SiO2 به خاطر ترکیب و تطبیق یافتن تک لایه ی گرافن با زیر لایه یSiO2 ایجاد شده‌اند و یک خصلت ذاتی برای آن نمی‌باشند. در (شکل1-6) انرژی الکترون‌ها با عدد موج k در گرافن، که به وسیله تقریب تنگ بست17 محاسبه شده است قرار دارد.
14.Transmission Electron Microscopy
15.TEM
16. Scanning Tunneling Microscopy
17.Tight Binding
(شکل1-6): انرژی الکترون‌ها با عدد موج k در گرافن، محاسبه شده به وسیله تقریب تنگ بست
 1-5-خواص گرافن    :
گرافن به دلیل ساختار خود، در زمینه های زیادی ویژگی های بسیار منحصر به فردی را نشان می دهد. ثابت شده است که گرافن قوی ترین ماده ای می باشد که تا کنون اندازه گیری شده است. فرانک و همکاران دانشگاهی وی از دانشکده پومونا و دانشگاه کرنل، ثابت فنر ورقه گرافن معلق را اندازه گرفته اند. ثابت فنر ورقه های گرافنی لایه ای با ضخامت بین ۲ و  ۸ نانومتر در محدوده بین ۱ تا ۵ نیوتن بر متر قرار دارد که این محدوده بر اساس مقیاس گذاری ابعاد قطعه به دست آمده است و مدول یانگ اندازه گیری شده در حدود ۰/۵ ترا پاسکال گزارش شده است. برخی از خصوصیات دیگر گرافن که تاکنون تعیین شده است بدین صورت بیان میگردد:
1-5-1-خواص الکترونی:
گرافن با سایر مواد متداول سه بعدی متفاوت است. گرافن طبیعی یک نیمه فلز یا یک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافن اولین قدم برای یافتن ساختار نواری گرافیت است. اولین بار خیلیقبل تر در سال 1947 پی آر والاس18متوجه خطی بودن رابطه یE-k (انرژی و عدد موج کریستال) در نزدیکی شش گوشه ی منطقه ی بریلوئن شش ضلعی دوبعدی گرافن برای انرژی‌های پایین ـ که منجر به جرم مؤثر صفر برای الکترون‌ها و حفره‌ها می‌شود ـ شد.
18.P.R.Wallac
به خاطر این رابطه ی پاشندگی خطی در انرژی‌های پایین، الکترون‌ها و حفره‌ها در نزدیکی این شش نقطه، که دو تا از آن‌ها غیر یکسان هستند، همانند ذرات نسبیتی ای که با معادله ی دیراک برای ذرات با اسپین نیم صحیح توصیف می‌شوند، رفتار می‌کنند. به همین خاطر به این الکترون ها و حفره ها فرمیون های دیراک و به آن شش نقطه نقاط دیراک گفته می شود. معادله(1-1)بیانگر رابطه:
(1-1)::
می‌باشد که در آن سرعت فرمی vF m/s 106است. محاسبات نشان می دهد که در جهت زیک زاکی گرافن همواره فلز است. در (شکل1-7) ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری ‘زیک زاکی’ نشان داده شده است.
(شکل1-7):ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری ‘زیک زاکی’
در جهت گیری صندلی دسته دار گرافن بسته به عرض لایه می تواند فلز و یا نیمه رسانا باشد. در(شکل1-8) ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری صندلی دسته دار نشان داده شده است.
(شکل1-8) :ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری صندلی دسته دار.
1-5-2- ترابرد الکترونی
نتایج تجربی از اندازه گیری‌های ترابرد الکترونی نشان می‌دهند که گرافن دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 1cm-۲V1-s 15000 همچنین تقارن اندازه گیری‌های تجربی رسانندگی نشان می‌دهد که تحرک پذیری برای الکترون‌ها و حفره‌ها باید یکسان باشد. در بازه ی دمایی بین k10 تا k100، تحرک پذیری تقریباً به دما وابسته نیست، که بیان کننده ی این امر است که مکانیزم قالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی به توسط فونون‌های آکوستیک گرافن موجب یک محدودیت ذاتی تحرک پذیری در دمای اتاق در حدcm-1V2۱s- 200000 برای چگالی حاملcm-2۱۰۱۲ می‌شود. مقاومت متناظر ورقه‌های گرافن در حد Ω.cm ۶-10 خواهد بود.
این مقاومت از مقاومت نقره، ماده ی شناخته شده عنوان دارنده ی کمترین مقاومت در دمای اتاق، کمتر است. گرچند برای گرافن قرار گرفته بر روی زیر لایه ی2SiO پراکندگی ناشی از فونون‌های اپتیکی زیر لایه در دمای اتاق اثر بزرگ تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافن این امر تحرک پذیری را به میزانcm-1V2۱s-40,000 محدود می‌کند.
1-5-3 -خواص اپتیکی
خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافن، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایه ی اتمی با یک مقدار ساده ی شگفت انگیز شده است، یک تک لایه ی گرافن ≈ πα2/3 درصد از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می‌کند که در آن α ثابت ساختار ریز شبکه می‌باشد. این امر نتیجه ی ساختار الکترونیکی کم انرژی غیر معمول گرافن تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره‌ای گرافن می‌دهد تا آن‌ها در نقاط دیراک به هم برسند، که به طور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشرده ی مرتبه ی دو معمول متفاوت است. بر مبنای مدل ساختار نواری گرافن، فواصل بین اتمی، مقادیر پرش و فرکانس به هنگام محاسبه ی رسانندگی اپتیکی با استفاده از معادلات فرنل در حد لایه‌های نازک از بین می‌رود. این امر به صورت تجربی تأیید شده ولی هنوز مقادیر اندازه گیری شده به اندازه ی کافی برای محاسبه ی ثابت ساختار ریز دقیق نبوده است. می‌توان گاف نوار انرژی گرافن را از صفر تاeV25/0 (در حدود طول موج پنج میکرومتر) به وسیله ی اعمال ولتاژ در دمای اتاق به یک ترانزیستور اثر میدان دو دروازه‌ای ساخته شده از یک گرافن دو لایه‌ای، تنظیم نمود. همچنین نشان داده شده است که پاسخ اپتیکی نانو نوارهای گرافنی نیز در ناحیه ی ترا هرتز به وسیله ی اعمال یک میدان مغناطیسی قابل تنظیم است. علاوه بر این نشان داده شده است که سیستم‌های گرافن ـ گرافن اکسید از خود رفتار الکتروکرومیک بروز می‌دهند، که اجازه می‌دهند هم خواص اپتیکی خطی و هم خواص اپتیکی فوق سریع را تنظیم کرد[24].
1-5-4-رسانایی الکتریکی :
مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، ۳۱ اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس بیشتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.
1-5-5 -رسانایی گرمایی :
رسانایی گرمایی گرافن تقریباً ۵۰۰۰ وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق ۴۰۱ وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن ۱۰ برابر بهتر از مس گرما را منتقل می کند.
1-5-6-چگالی :
سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر ۰/۰۵۲ نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن۰/۷۷ میلی گرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و ۰/۷۷ میلی گرم وزن دارد.
1-5-7 -شفافیت نوری :
گرافن تقریباً شفاف است. فقط ۳/۲ درصد از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند. این عدد بیانگر آن است که گرافن معلق هیچ رنگی ندارد. در شکل(1-9) اولین تصویرمیکروسکوپیک منتشرشده از گرافن به روش پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی نشان داده شده است و در شکل(1-10) طول پیوند کربن-کربن در گرافن نشان داده شده است.
(شکل1-9): تصویرمیکروسکوپیک منتشرشده از گرافن به روش پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی
(شکل1-10): طول پیوند کربن-کربن در گرافن
1-5-8 -مقاومت مکانیکی :
مقاومت شکست گرافن ۴۲ نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای ۳/۳۵ آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست درحدود ۰/۴۲- ۰/۰۸۴ نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن ۱۰۰ برابر فولاد است.
1-6-کاربرد های گرافن :
1-6-1 – ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک وبسیار سریع با استفاده از گرافن
گروه تحقیقاتی دانشگاه منچستر یک ترانزیستور گرافنی یک نانومتری ساخت که ضخامت آن یک اتم و قطرش برابر ده اتم بود. عده ای پیش بینی کرده بودند که ترانزیستورهای مذکور که از مشتقات گرافن بودند روزی جای سیلیکون را به عنوان پایه ی محاسبات آینده بگیرد. به مدت چهل سال، یک قانون کلی به نام قانون مور بر محاسبات حکمفرما بوده است. این قانون پیش بینی می کند که تقریباً هر دو سال، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده روی تراشه ها دو برابر خواهد شد. با این وجود، سیلیکون که تا به حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زیر ده نانومتر ساختارهای پایداری ندارد. جدیدترین تراشه های امروز تنها چهل و پنج نانومتر ابعاد دارند. بنابراین وجود جایگزینی برای سیلیکون احساس می شود. گرافن ها از خواص رسانشی فوق العاده ای برخوردارند و به همین دلیل نامزد نسل آینده ی ترانزیستورهای سرعت بالا هستند. شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام و نوکیا هم به آینده گرافن امید بسته‌اند. آی‌بی‌ام یک ترانزیستو ۱۵۰ گیگا هرتزی تولید کرده است؛ در حالی که سریع‌ترین ترانزیستور سیلیکونی قابل قیاس با این ترانزیستور، در فرکانس ۴۰ گیگاهرتز کار می‌کند. به گفته دکتر یو مینگ لین از آی‌بی‌ام، “در مورد سرعت ترانزیستورها، در حال حاضر هیچ مرزی برای حد نهایی سرعت آنها وجود ندارد. هرچند به مشکلاتی برخورده‌ایم که باید برطرف شوند، ولی فکر نمی‌کنم که مشکلی با خواص گرافن داشته باشیم”.

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید