فناوری نانو و شیمی کوانتومی

کتاب فناوری نانو و شیمی کوانتومی / مولف شمسا شریفی

میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری (ملکولی) ساخته می‌شود. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی‌نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی‌شوند. فناوری نانو کاربردهایی را به عرصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه بر جا می‌گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. علوم و فناوری نانو به دلیل اندازه و مقیاسی که در آن معتبرند می‌توانند با بسیاری از خواص مکانیک کوانتومی در تعامل باشند. فهم بسیاری از فرآیندها در این مجموعه بدون داشتن این دانش غیر ممکن می باشد. فناوری نانو را می‌توان نگرش عمیق در پژوهش و تحولاتی دانست که هدف آن کنترل رفتار و ساختار بنیادی مواد در حد اتم ها و مولکول ها می باشد. همچنین بهره برداری از خواص نوظهور این گونه ساختارها و نحوه‌ی ساخت و استفاده از آن ها از اهداف اصلی این فناوری می‌باشد. بی گمان  زمانیکه نخستین کامپیوترها پا به عرصه علم و فناوری گذاشتند، هیچ کس حتی تصور هم نمی‌کرد روزی فرا برسد که علوم تجربی همچون شیمی فیزیک و حتی زیست شناسی تا این حد وابسته به مباحث پیشرفته در زمینه روشهای تئوری باشد . در این میان علم شیمی فیزیک گوی سبقت را از سایر علوم ربوده است. اما نکته حائز اهمیت که می‌بایستی تمام محققان به آن بیش از پیش بپردازند، نگرش به علوم بین رشته‌ای و تلفیقی است. لذا بر آن شدیم تا جهت استفاده هر چه بیشتر محققان مطالبی را در زمینه مباحث نوین از عمق مقالات  علمی استخراج کنیم تا راهگشای دانش پژوهانی گردد که مصمم به چاپ مقالات در زمینه کارهای تحقیقاتی خویش باشند. در این کتاب علوم فناوری نانو و شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی بصورت تلفیقی برای بررسی امکان استفاده از نانولوله بور نیترید بعنوان یک حامل  مناسب  ترکیب آنتی اکسیدانی دزاکسی همی گسیپل به سمت سلولهای بدن مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نانولوله‌های بور نیترید به دلیل عدم سمیت، زیست سازگاری بالا و ویژگی های منحصر به فرد دیگر مانند ویژگی‌های مغناطیسی و سهولت عامل دار کردن بوسیله مولکولهای مختلف، پتانسیل استفاده در پزشکی برای مقاصد درمانی و تشخیص را تا حد بالایی دارا هستند. اگرچه هنوز در ابتدای راه تحقیق بر روی این نانو ذرات شگفت انگیز قرار داریم و شمار مطالعات درباره آنها به اندازه نانو لوله‌های کربنی نیست، اما پژوهش‌های حاضر نشان می‌دهد که آنها مناسب‌ترین جایگزین برای نانو لوله‌های کربنی هستند. امید است این تحقیق ره‌گشای مسیری در جهت درمان بسیاری از انواع سرطانها باشد و کتاب حاضر بتواند راهنمایی مناسب برای نیل به این هدف باشد

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه. 13

مقدمه. 13

1-1-رادیکال آزاد. 13

1-1-1-تشکیل رادیکال آزاد.. 13

1-1-2-انواع پایدار رادیکال آزاد.. 14

1-1-3- فعالیت رادیکال آزاد در بدن.... 15

1-1-4-مضرات رادیکال آزاد برای سلامتی..... 15

1-1-5- نقش استرس در تولید رادیکالهای آزاد.. 17

1-2- سرطان.. 17

1-3- آنتی اکسیدان.. 18

1-4- فلاونوییدها 20

1-4-1- منبع فلاونوئید‌ها در طبیعت....... 22

1-4-2- ساختمان فلاونوئید‌ها 23

1-4-3-انواع فلاونوئیدها و ساختمان آنها 24

1-4-3-1-آنتوسیانین‌ها (Anthocyanins) 24

1-4-3-2-فلاون‌ها (Flavones) 25

1-4-3-3-فلاونول‌ها (Flavonols) 26

1-4-4- چالکون‌ها : 28

1-4-4-1-دی هیدرو و چالکون‌ها : 30

1-5-بیوسنتز فلاونوئید‌ها و چالکون‌ها 35

1-5-1-بیوسنتز فلاونوئید‌ها 35

1-5-2 -بیوسنتز چالکون‌ها 37

1-6-شیمی چالکون‌ها : 38

1-7-شیمی فلاونوئید‌ها و ترکیبات طبیعی وابسته به آنها 39

1-8- مشخصات طیفی فلاونوئیدها 43

جدول1-1-  مشتقات فلاوونوئیدها در حلالهای مختلف....... 44

جدول1-2- مشخصات طیف H-NMR¹ مشتقات فلاونوئید‌ها 44

جدول1-3- مشخصات طیف ¹³C-NMR مشتقات فلاونوئیدها 45

1-9-روش استخراج، جداسازی وخالص سازی فلاونوئید ها 47

1-9-1-روش استخراج فلاونوئیدها : 47

1-9-2- آماده سازی و عصاره گیری از مواد گیاهی..... 47

1-9-3-جداسازی و خالص سازی مواد متشکله موجود در عصاره : 49

1-9-3-1-کروماتوگرافی ستونی (Column Chromatography) 49

1-9-3-2-کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) (Thin layer chromatography) 49

1-9-3-3- کروماتوگرافی مایع با کارکرد بالا (HPLC) 50

(High performance Liquid Chromatography) 50

1-9-3-4- تبلور (Crystallization) 50

1-10- بررسی نقش فلاونوئید دربدن.. 51

جدول 1-4- پتانسیل احیای این آنتی اکسیدانها برای پاکسازی برخی از جفت رادیکالها 53

1-11- فلاوپیریدول.. 53

1-11-1- نقش کلی فلاوپیریدول در بدن.... 53

1-12-ترپن‌ها 54

1-13- مقدمه ای در زمینه فرآیند چرخه سلول.. 56

1-13-1 -بررسی فرآیند چرخه سلولی..... 56

1-13-2 -نقش و اهیمت آنزیمهای CDK و Cyclin... 57

1-13-3- بیماری‌های مربوط به چرخه سلولی..... 58

فصل دوم: نانو. 59

مقدمه. 59

2-1-چگونگی پیدایش واژه نانو و فناوری نانو. 59

2-1-1-معرفی فناوری نانو.. 59

2-2-چرا (نانو) تکنولوژی؟. 60

2-3- نانو مواد. 60

2-3-1- طبقه بندی نانو مواد بر اساس شکل ظاهری...... 61

2-3-1-1- نانو ذرات... 62

2-3-1-2- نانوالیاف... 63

2-3-1-3- نانوکپسول ها 63

2-3-1-4- نانولوله ها 63

2-3-1-4-1- نانولوله‌های کربنی(CNTS) 63

2-3-1-4-1-1- انواع نانو تیوب‌های کربنی... 66

2-3-1-4-1-2-خواص نانو لوله‌های کربنی... 67

2-3-1-4-1-3-کاربردهایی از نانو تیوب‌های کربنی... 67

2-3-1-4-1-3-1-ترانزیستورها 67

2-3-1-4-1-3-2-حسگرها 68

2-3-1-4-1-3-3-نمایشگرها 68

2-3-1-4-1-3-4-حافظه‌های نانو تیوبی... 68

2-3-1-4-1-3-5-استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها 68

2-3-1-4-1-3-6-دارورسانی توسط نانوتیوب‌های کربنی... 69

2-3-1-4-1-3-7-ساخت قطعات الکترونیکی کوچک..... 69

2-3-1-4-1-4-روش‌های تولید نانو لوله‌های کربنی... 69

2-3-1-4-1-4-1-روش تخلیه قوس الکتریکی... 69

2-3-1-4-1-4-2-روش میدان مغناطیسی... 70

2-3-1-4-1-4-3-روش تابش لیزر. 71

2-3-1-4-1-4-4-روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) 71

2-3-1-4-1-4-5-تولید نانو تیوب به روش فرایند آمیزه سازی پلیمری... 72

2-3-1-4-1-4-6-تولید نانو تیوب به روش قالبی (template) 72

2-3-1-4-1-4-7-تولید نانوتیوب کربنی بر پایه نانوالیاف PAN... 73

2-3-1-4-2- نانو لوله‌های بور نیترید BNNT.. 74

2-3-1-4-2-1-ساختار نانولوله بور نیترید.. 76

2-3-1-4-2-2-عامل دار کردن نانو لوله‌های بور نیترید.. 79

2-3-1-4-2-3-کاربرد نانو لوله‌های بور نیترید در پزشکی... 80

2-3-1-4-2-3-1- درمان سرطان با گیراندازی نوترون بور. 80

2-3-1-4-2-3-2-افزایش الکترونفوذپذیری سلول‌ها با استفاده از نانولوله‌های بور نیترید.. 81

2-3-1-4-2-3-3- زیست حسگرهایی از نانولوله بور نیترید.. 82

2-3-1-4-2-4-تولید نانو لوله‌های بور نیترید.. 82

2-3-1-5-نانوسیم ها 83

2-3-1-6-نانوروکش ها 83

2-3-1-7-موادنانوحفره ای... 83

2-3-2-خواص نانو مواد.. 84

2-3-2-1-خواص مغناطیسی... 84

2-3-2-2-خواص آنتی باکتریال.. 85

2-3-2-3-تغییر واکنش‌پذیری مواد. 85

2-3-3-کاربردنانومواد.. 86

2-3-3-1-صفحات خورشیدی و کیهانی... 86

2-3-3-2-ترکیبات پیچیده. 87

2-3-3-3-پوشش سطوح.. 87

2-3-3-4-ابزار برشکاری بسیار سخت.... 87

2-3-3-5-رنگ‌ها و محلول ها 87

2-3-3-6-محیط زیست.... 88

2-3-3-7-سلول‌های سوختی... 88

2-3-3-8-نمایشگرها 88

2-3-3-9-باتری ها 89

2-3-3-10-مواد افزودنی سوخت ها 89

2-3-3-11-مواد مغناطیسی... 89

2-3-3-12-وسایل پزشکی... 89

2-3-3-13-سرامیک‌های ماشین آلات... 90

2-3 -4- نانو تکنولوژی و نقش آن در دارو رسانی..... 90

2-3-4-1-دارورسانی هوشمند در بدن.. 92

2-3- 5-جایگاه فناوری نانو در علوم مهندسی..... 93

فصل سوم: شیمی محاسباتی... 95

مقدمه. 95

3-1-مقدمه:‌ 95

3-2- طبقه بندی روشهای کوانتومی... 97

3-3 روشهای مبتنی بر تئوری اوربیتال مولکولی... 105

3-3-1روش میدان خودسازکار هارتری – فاک........ 105

3-3-2- روشهای ارتباط الکترونی..... 106

3-3-3- تئوری میدان خودسازگار چند آرایشی..... 108

3-3-4- برهم کنش آرایشی..... 108

3-3-5- تئوری اختلال.... 108

3-3-6- روش پاراکتریزه شده. 109

3-3-7-روشهای مبتنی بر توابع دانسیته.. 109

3-3-8- تقریبهای اولیه.. 110

3-3-9- تقریب دانسیته موضعی..... 110

3-3-10- تصحیح شیب (گرادیان) دانسیته.. 111

3-3-11- روش اتصال آدیاباتیک......... 112

3-4- سریهای پایه. 112

3-4-1- اوربیتالهای اسیلتری و گوسی..... 113

3-4-2- طبقه بندی سریهای پایه.. 113

3-4-3- سریهای پایه دانینگ......... 115

3-5- میدان نیرو. 116

3-5-1-میدان نیروی Amber 118

3-6- شبیه سازی لانگوین LD.. 119

3-6-1-انتگرال گیری محاسبه عددی...... 119

3-7- شبیه سازی مونت کارلو. 121

3-8- محاسبات کوانتومی نیم تجربی... 122

3-8-1-انتخاب روش در محاسبات کوانتومی نیم تجربی..... 122

3-9- روش‌های کامپیوتری.. 124

3-10- نرم افزار HyperChem. 125

3-10-1- روش‌های محاسباتی در Hyper Chem....... 126

3-10-2- ممان دو قطبی..... 126

3-10-2-1-الکترونگاتیوی... 127

3-10-2-2- قطبش پذیری، سختی و نرمی... 127

3-10-2-3- HOMO و LUMO... 128

3-10-3-چگالی الکترونی کل..... 130

3-10-4- چگالی اسپین کل..... 130

3-10-5- پتانسیل الکتروستاتیک......... 130

3-11- برنامه Gaussian. 131

3-11-1-تواناییهای Gaussian... 132

فصل چهارم: جزئیات محاسبه. 133

مقدمه. 133

4-1-چکیده. 133

4-2- جزئیات محاسبات مرحله اول.. 135

جدول4-1-پارامترهای انرژی آزاد گیبس، آنتالپی، انرژی پایداری، ممان دو قطبی و شکاف پیوند   HOMO-LUMO مولکول دزاکسی همی گسیپل و جایگزینی متفاوت از( 1-9) اتم F ،Br, Cl 139

جدول4-2- پارامترهای NMR محاسبه شده جابجایی شیمیایی ایزوتروپیک( _isoσ) و جابجایی شیمیایی آنیزوتروپیک ( _anisoσ) 143

جداول4-3-پارامترهای NMR مولکول دزاکسی همی گسیپل و مشتقاتش با جایگزینی متفاوت از 1-9 اتم F ،Br, Cl 148

4-3- نتیجه گیری مرحله اول محاسبات... 174

4-4- چکیده مرحله دوم محاسبات... 175

4-5-جزئیات محاسبات مرحله دوم. 176

4-6- انرژی جذب... 177

4-7- بهینه سازی و انرژی جذب... 178

جدول4-4- پارامترهای ترموشیمیایی مولکول دزاکسی همی گسیپل، نانو لوله بور نیترید و کمپلکس دزاکسی همی گسیپل- نانو لوله بور نیترید  179

جدول4-5- طول پیوند‌های محاسبه شده مولکول دزاکسی همی گسیپل، نانولوله بور نیترید کمپلکس دزاکسی همی گسیپل - نانو لوله بور نیترید  180

4-8- محاسبات NBO.. 180

جدول4-6- بر هم کنش دهنده-گیرنده و انرژی فوق مزدوج شدن وابسته به انتقال بار بین و نانولوله بور نیترید ومولکول دزاکسی همی گسیپل   182

4-9-خواص الکترونی... 183

جدول4- 8-. بارهای طبیعی(بارهای NBO) و پارامترهای NMR شامل CS¹ وCS^A برای اتمهای انتخاب شده مولکول دزاکسی همی گسیپل، نانو لوله بور نیترید و کمپلکس دزاکسی همی گسیپل - نانو لوله بور نیترید... 187

4-10- محاسبات پارامترهای رزونانس مغناطیس هسته (NMR) در فاز گازی.. 189

4-11- نتیجه‌گیری مرحله دوم محاسبات... 191

 

Refrence. 193