پایان نامه رایگان درمورد محیط زیست، آلاینده ها، شبیه سازی، استان های کشور

شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف

اما نظریه‎ی کوانتومی بر پایه‎ی گسسته بودن مقادیر کمیت‎ها به رشد خود ادامه داد و پس از فرمول‎بندی در سال 1925 توسط هایزنبرگ و 1926 توسط شرودینگر تا اوایل دهه چهل، آن قدر مسائل لاینحلی را حل نمود که قابل تصور نبود. مکانیک کوانتومی نظریه ای کاملاً آماری است و بسیاری از قواعد آماری کلاسیک در آن موجود هستند. با این تفاوت که آمار در مکانیک کلاسیک برای مجموعه ای از سیستم ها و به دلیل جهل ما از وضعیت کامل سیستم استفاده می‎شد، اما در مکانیک کوانتومی به دلیل این که پدیده‎ها ذاتاً آماری هستند مورد استفاده قرار میگیرد. حتی آمار کوانتومی برای تک سیستم های منفرد وجود دارد. مضاعف بر این که احتمال در مکانیک کوانتومی ارجاع به وضعیت حال سیستم ندارد و تنها در مورد پس از انجام عمل اندازه گیری است. اما در مکانیک کلاسیک، احتمال وضعیت فعلی سیستم را تشریح می‎کند.[8]
به فاجعه ماوراءبنفش معروف شد شکست مطلق مکانیک آماری کلاسیک در توصیف تغییرات مضرّات و آثار سوء کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت مربوط به انواع مختلف آلودگی1 آب، هوا، خاک، پسماندهای خطرناک2، فلزات سنگین و غیره بر کسی پوشیده نیست. امروزه در سراسر گیتی، هزینه هایی گزاف در راستای کنترل و بی خطرسازی آلاینده ها مصرف می گردد و بدیهی است کشور ما نیز با توجه به روند پرشتاب توسعه، از این امر مستثنی نخواهد بود. بنابراین، هرگونه پژوهش مفید در این زمینه ها می تواند کمکی قابل ملاحظه به حفاظت و صیانت از محیط زیست و تضمین سلامت مردم نماید؛ ضمن آنکه پدیده مخرب ریزگردها3 را نیز که استان های کشور به طور جدی با آن دست به گریبان هستند نباید به فراموشی سپرد.
از طرف دیگر، پدیده های مرتبط با مقیاس نانو در بسیاری از فرآیندهای محیط زیستی غالب هستند؛ بنابراین، اینگونه میانکنش ها دارای اهمیت ویژه در حوزه محیط زیست و سلامت انسان می‎باشند. با توجه به اینکه واکنش های رایج در مقیاس نانو، ذاتاً در سطح مولکولی روی می دهند، هماهنگی دقیق در خصوص مطالعه ذراتِ در مقیاس نانو مرتبط با سیستم های طبیعی از یکسو، و قوانین شیمی کوانتومی4 و شیمی محاسباتی5 وجود دارد. [9و7]
مبنای شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، مدلسازی و انجام محاسبات بسیار پیچیده، طولانی و زمان بر، براساس تحلیل انواع مختلف معادلات شرودینگر6 و دیگر مدلهای ریاضی پیشرفته در مکانیک کوانتومی میباشد که از طریق به کارگیری کامپیوترهای با کیفیت و قدرتمند و استفاده از نرم افزارهای کاملاً تخصصی، مطالعه و پژوهش در این زمینه ها انجام می‎پذیرد.
نظر به اینکه ذرات بسیار ریز مقیاس، ویژگی های خاصی را از خود نشان می‎دهند به طوری که می‎توان آنها را به تفکیک مطالعه کرد و همچنین واکنش های آنها را در ارتباط با سایر نانوذرات بررسی نمود، توجهی خاص به پژوهش در این مسیر معطوف شده است. به ویژه در مورد نانوذرات، بررسی خصوصیاتِ مرتبط با مقیاس اتمیِ اینگونه ذرات در محیط زیست، انواع برهم‎کنش های احتمالی و به خصوص، امکان پیش بینیِ نتایجِ متنوع حاصله و مسیرهای کنترل آنها در محیط زیست، حائز اهمیت فوق العاده است.
در اغلب موارد، نانوذرات با به اصطلاح میزبان‎هایی دیگر نیز مرتبط و همساز می‎باشند؛ بطور مثال، از اینگونه میزبان ها در محیط زیست می توان به نانوذرات فلزی موجود در سولفیدها، هسته های کربنی ترکیبات آلی، سولفیدهای آرسنیک، سولفیدها یا اکسیدهای آهن و همچنین نانوذرات اتمسفری موجود در ریزگردها اشاره نمود.ساختار نانوذرات، پایداری، ویژگی های شیمیایی، بار الکتریکی، حالات الکترونی، خصوصیات مغناطیسی و سرانجام، میانکنش های نانوذرات در محیط زیست، بستگی به نحوه ارتباطات آنها با سایر ذرات، مولکولها و میزبان ها دارد؛ بنابراین، مهندسی مولکولی و درک دقیق اینگونه ارتباطات در سطح اتمی بسیار ضروری است. [6و1]
ب) اهمیت شیمی کوانتومی در محیط زیست:
به منظور مطالعه و دریافت جزئیات ویژه مربوط به موارد فوق الاشاره در هر مکان جغرافیایی و زیست محیطی خاص، لازم است ترکیبی از روش های علمی مدرن در مقیاس نانوذرات به کار گرفته شود؛ در این خصوص، مهمترین تکنیک برای درک کامل فرآیندهای شیمی– فیزیکی مشاهده شده، استفاده از شبیه سازی ها7 و روش های علمی سطح بالا مبتنی بر مکانیک کوانتومی8، شیمی کوانتومی، شیمی محاسباتی و دینامیک مولکولی9 می‎باشد. بعلاوه، با توجه به اینکه دستیابی به بسیاری از ویژگی های ساختاری و الکترونی نانوذرات و چگونگی ارتباطات و واکنش های آنها با سایر ترکیبات در محیط زیست، به صورت آزمایشگاهی بسیار مشکل و حتی در مواردی غیر ممکن است، شبیه سازی های دقیق مولکولی میتوانند به نحوی شایسته و قابل توجه، منجر به درک پدیده ها و فرآیندهای مقیاس نانو و خواص مولکولی شوند که از جمله می توان به طول و زاویه پیوندها، ممان دو قطبی، تفاوت سطوح انرژی، توضیح طیف های مولکولی، پایداری مولکول ها، پیش بینی خواص آروماتیکی، فرکانس ها و شدت خطوط طیفی، مکانیسم واکنشهای الکتروشیمیایی و … اشاره نمود.
از دو دیدگاه تئوریک و کاربردی، بررسی نانوذرات در محیط زیست و برهمکنش های آنها با سایر ترکیبات در مقیاس مکانیک کوانتومی، اهمیت بسیار دارد. در مقایسه با سایر روش های تجربی، فقط مکانیک کوانتومی قادر به دریافت ویژگی های فیزیک وشیمیایی نانوذرات می باشد؛ بر این اساس، مطالعه و کسب اطلاعات در خصوص ویژگی های الکترونی و م
غناطیسی، چه از جنبه تأثیرات آنها بر پایداری مواد و هم از نظر نوع واکنش های احتمالی و پیش بینی نتایج حاصله، فقط از طریق محاسبات کوانتومی آبینیشیو10 امکان پذیر است. با توجه ویژه به این موضوع که واکنش های اتم – اتم درون نانوذرات، نحوه واکنش با میزبانها و میانکنش های احتمالی، از طریق به کارگیری روش های مبتنی بر مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک آماری11 قابل دستیابی است، بسیار مهم است که با استفاده از اطلاعات دریافت شده از مدل های مکانیک کوانتومی سطح بالا، بتوان سایر روش های مناسب تجربیِ مدلسازی مولکولی مبتنی بر میدان های نیرو12 را نیز توسعه بخشید و مجموعه پارامترها و توابع را تعیین نمود. [5و2]

1-2 محاسبات کوانتومی
1-2-1-انواع محاسبات کوانتومی
بطور کلی روشهای نیمه تجربی عبارتند از:
– روش هوکل توسعه یافته
– روش چشم پوشی از هم پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی
– تصحیح شده به روش
– روش ابقاء جزئی همپوشانی دیفرانسیلی دو اتمی
– اصلاح شده روش چشم پوشی از همپوشانی دیفرانسیلی دو اتمی
-اصلاح شده روش چشم پوشی متوسط از همپوشانی دیفرانسیلی
-روش چشم پوشی کامل از هم پوشانی دیفرانسیلی
-روش چشم پوشی از هم پوشانی دیفرانسیلی
-روش اربیتال مولکول هوکل
-روش اربیتال مولکول الکترون آزاد
-روش پاریز – پار- پاپل
روش هارتری – فاک
اساس روش هارتری – فاک بر این روی کرد استوار است که مساله چند الکترونی را از طریق نوعی متوسط گیری از دافعه الکترون – الکترون به یک مسئله تک الکترون تبدیل می کند. این روش از مهمترین و ساده ترین روشها برای تعیین ساختار الکترونی مولکول ها می باشد در واقع معادلات هاتری – فاک یک معادله شرودینگر تغییر یافته است که هامیلتونی کامل به وسیله یک عملگر تقریبی فاک جایگزین شده است. در این روش نمی توان اثر متقابل الکترون ها بر روی یکدیگر را در نظر گرفت و در واقع ارتباط وضعیت و حرکت الکترونها با یکدیگر معلوم نمی شود. با چشم پوشی از دافعه های بین الکترونی، تابع موج مرتبه صفر مساوی با حاصلضرب توابع فضایی تک الکترونی می شود[10و9].
تئوری تابعی چگالی (DFT):
روش نظریه تابعی چگالی (DFT) به عنوان یک روش محاسباتی مناسب برای محاسبه هم بستگی الکترونی رواج یافته است. در آغاز DFT برای استفاده در فیزیک حالت جامد (فیزیک جامدات) بسط داده شده بود و انرژی همبستگی الکترون (در بعضی موارد انرژی تبادلی) به عنوان تابعی از چگالی محاسبه می گردد روش DFT تنها کمی ارزشمندتر از HF می باشد، ولی در بعضی مطالعات شیمی کوانتومی مشاهده شده است که نتایج DFT غیر متمرکز در مورد بعضی خواص شیمیایی مانند ساختمان، انرژی واکنش فرکانس های ارتعاشی به خوبی MP2 روش نسبتاً جدیدی است که در بعضی موارد کاستی هایی هم در آن به چشم می‌خورد که بعضی از آنها عبارتند از:
1- در مورد حالات گذار ضعیف عمل می کند
2- در این روش حالات برانگیخته اساساً قابل بررسی نیستند
3- انجام تصحیحات بصورت قانونمند انجام نمی گیرد.
مهمترین کمیت در این نظریه چگالی الکترونی است و اوربیتالها بعداً به عنوان وسیله ای جهت محاسبه دقیق انرژی های جنبشی معرفی می شوند در این روش همه خواص یک سیستم از جمله انرژی الکترونی حالت پایه یک اتم یا مولکول بر حسب چگالی الکترونی بیان می شود (چگالی الکترونی مربع تابع موجی می‎باشد)[10].

1-2-2 کاربرد محاسبات کوانتومی
با استفاده از اطلاعات حاصل از مدل های شیمی کوانتومی، محاسبات مربوط به دینامیک مولکولی می توانند به مدلسازی دینامیک (وابسته به سایز) نانوذرات در محیط زیست – به ویژه هنگامی که با میزبان های جامد یا سیال تلفیق شده باشند – کمک شایانی نمایند. مدل سازی های مولکولی دارای کاربردهای فراوان در علوم محیط زیست، شیمی محاسباتی، زیست شناسی ریاضی13، شیمی کوانتومی، شیمی انفورماتیک14، شیمی سنجی15، طراحی انواع داروها و دیگر موارد متنوع و مرتبط می‎باشند.
یادآور می‎شود که برای مشخص نمودن وجود عناصر ویژه و همچنین آشکارسازی فلزاتی مانند آهن، آلومینیوم، مس و غیره و تعیین کردن میزان غلظت این فلزات در نمونه های محیط زیستی مورد نظر، دستگاه جذب اتمی16 نیز از قوانین علمی مبتنی بر شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی استفاده می‎نماید.
همچنین، برای مشخص نمودن ساختمان ایزومرهای فضاییِ (استریو ایزومرها) ترکیبات شیمیایی محیط زیستی، از روش های همزمان مبتنی بر شیمی کوانتومی – شیمی محاسباتی و HPLC بهره گیری می‎شود.[10]
از طرف دیگر، به منظور ارزیابی و سنجش در دو حوزه تئوریک و آزمایشگاهیِ تشکیل پسماندهای سمی در جریان فرآیندِ خاکستر نمودن ترکیبات خطرناک در محیط زیست مانند هیدروکربنهای حاوی برم هیدروکربنهای حاوی فلوئور (CFC)، آروماتیک های حاوی کلر (کلروفنولها) و ترکیبات فلزی – آلی17 ، از شیوه های همزمان مبتنی بر شیمی کوانتومی – شیمی محاسباتی و GC / Mass استفاده می گردد.
از دیگر کاربردهای شیمی کوانتومی در حوزه محیط زیست، می توان به بررسی و درک مکانیسم های ردیابی و جا به جایی فلزات آلاینده، حتی با مقادیر کمتر از 10ppm در مقیاس نانو اشاره کرد؛ به ویژه، پژوهش های مرتبط با ذرات معلق موجود در هوا که حامل فلزات سنگین هستند، ریزگردها، پیش بینی واکنش های نامشخص و رفتار مولکولهایی مانندNOx ، SOx، Co، O3 و دیگر ترکیبات شیمیایی در محیط، ذرات خطرناک، مضر و فلزات سنگینِ موجود در کلوئیدها (محی
ط های آبی) و همچنین نحوه تشکیل بایومینرال ها در طبیعت، از دیگر موارد کاربردی استفاده از شیمی کوانتومی در محیط زیست میباشند.
از دیگر محورهای فعالیتهای پژوهشی در حوزه شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، به موارد زیر می‎توان اشاره نمود:
– تدوین و توسعه روش های نوین اسپکترومتری مولکولی و اتمی و سیستم‏های18 برای آنالیز و سنجش انواع نمونه‏های مختلف و متنوع محیط زیستی، دارویی، شوینده‏ها و غیره.[10]
– توسعه روش های طیف سنجی نانو ذرات در بررسی و آنالیز نمونه های مختلف محیط زیستی.
– آنالیز کمّی و کیفی انواع نمونه های متنوع محیط زیستی در مقیاس های میکرو و نانو.
– ارائه روش‏های نوین جهت آنالیز متابولیتهای مواد دارویی در مطالعات بیو‏آنالیتیکال و متابولومیکس.
– توسعه و کاربرد روش‏های تجزیه‏ای
– توسعه و کاربرد روش های مختلف تشخیص الگو و طبقه‏بندی در نمونه‏های مختلف محیط زیستی و غذایی.
– توسعه روش‏های میکرو‏استخراج در نمونه های محیط زیستی با استفاده از تکنیک های طیف سنجی و کروماتوگرافی.
– توسعه استفاده از روش های کمومتریکس برای حل مشکلات صنایع آلاینده.
– پژوهش در زمینه روش های کمومتریکس و کاربرد آنها در سنجش و آنالیز نمونه‏های محیط زیستی، دارویی، بیولوژیکی و شوینده ها.
از طرف دیگر، از محاسباتِ مقیاسِ مولکولی میتوان برای بررسی واکنش های بین ترکیبات آلیِ سیستمهای طبیعی (مانند اگزوپلیمرهای دیواره سلولی کوکولیتوفر) و برخی اتمهای خاص موجود در سایر ترکیبات معدنی (مانند نانوذره هسته کربنات کلسیم) و میانکنش های مرتبط با آلاینده های محیط زیست بهره گرفت. [10و2]
مدلسازی، پیش بینیِ نحوه پیشرفت واکنش ها و سنتز آزمایشگاهی نانوذراتِ دوستار محیط زیست و دیگر نانوذراتِ مورد استفاده برای بی خطرسازی پسماندها و آلاینده های خطرناک، از دیگر کاربردهای مهم شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی می باشند. اینگونه مدل های محاسباتی سطح بالا به میزان بسیار قابل توجه، قادر به تقلید رفتار اتمی و مولکولی نانوذراتِ موجود در سیستم های محیط زیستی و چگونگی تشکیل نانوذرات در طبیعت می‎باشند.
خاطرنشان می نماید که از دیدگاه روش شناسی اقتصاد سنجی19 و حسابداری محیط زیست، بی‎خطرسازی موثر پسماندها در مکان تولید با استفاده از روش های علمیِ مطمئن و مقرون به صرفه، نقش به سزایی را در تنزل هزینه های واحدهای صنعتی و کاهش بار آلودگی به دنبال خواهد داشت و حفاظت اصولی از محیط زیست را تضمین خواهد نمود.
از دیگر کاربردهای شیمی کوانتومی، می‎توان به استفاده از آن در دانش ژنتیک و بیوشیمی و بررسی نحوه رفتار ماکرومولکول های زیستی، چگونگی بیان شدن ژنها، مطالعه رفتار سیستم های آنزیمی و نسخه برداری (RNA)، مدل های پیشرفته مربوط به فرآیند جهش20، نحوه پیوند بین آنزیم و سوبسترا، بررسی ساختمان های ثانویه و سوم (سه بعدی) پروتئین ها و سایر موارد مرتبط اشاره نمود؛ موارد ذکر شده، در شاخه‎های ژنتیک کوانتومی21، بیوشیمی کوانتومی22 و شیمیِ ژنوم23 مورد بررسی و پژوهش قرار می‎گیرند. اطلاعات و داده های پایه، از طریق بانک های اطلاعاتی تخصصی مانند NCBI و همچنین، مطالعات آزمایشگاه های ژنتیک قابل حصول می‎باشد. [11]
1-3 یون کبالت و خواص آنها
کُبالت فلزی است سفید با علامت شیمیایی Co، شبیه نیکل ولی با ته رنگ آبی به جای ته رنگ زرد نیکل. از لحاظ شیمیایی فعالتر از نیکل است. در اسید سولفوریک و اسید نیتریک محلول و به کندی تحت

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *