بررسی مکانیسم عبور آب، یون و سوخت درون شبکه پلی الکترولیتی/ بهینه سازی غشا‌های پلی الکترولیت

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محمد جعفررضایانی دانش‌آموخته مقطع دکتری و مجری طرح «شبیه‌سازی دینامیک مولکولی نفوذ آب در شبکه‌های پلی الکترولیتی: اثر گروه‌های آب‌دوست و آب‌گریز» گفت: کمبود یک مطالعه جامع از بررسی فرایند اصلی نفوذ کوچک مولکول‌ها مانند آب، یون و سوخت (عموماً متانول) درون سامانه‌های پلی الکترولیتی (غشا‌های تبادلگر یونی) مورد استفاده در پیل‌های سوختی و غشا‌های تصفیه کننده آب و همچنین پارامتر‌های ساختاری شبکه پلی الکترولیت بر این فرایند ما را بر آن داشت تا به مطالعه دقیق‌تر در این حوزه بپردازیم.

وی ادامه داد: دلیل اصلی این کمبود ناتوانی دستگاه‌های آزمایشگاهی در مشاهده جزئیات فرایند نفوذ و تأثیر پارامتر‌های ساختاری شبکه پلی الکترولیت بر فرایند نفوذ در مقیاس مولکولی است که با استفاده از ابزار شبیه‌سازی دینامیک مولکولی پارامتر‌های مؤثر بر این فرایند، از جمله تأثیر پارامتر‌های ساختاری شبکه پلی الکترولیت بر فرایند نفوذ با دقت مولکولی مورد بررسی قرار گرفت.

وی با بیان اینکه ابزار شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به بررسی فرایند‌های مختلف فیزیکی و شیمیایی در مقیاس مولکولی می‌پردازد، گفت: با شناخت پارامتر‌های تأثیرگذار بر فرایند نفوذ در مقیاس مولکولی یا میکروسکپیک می‌توان رفتار سیستم را در مقیاس بزرگ یا ماکروسکپیک پیش بینی کرد.

وی ادامه داد: در این تحقیق، علاوه بر نحوه تشکیل کانال‌های آبی و بررسی پارامتر‌های ساختاری تأثیر گذار بر فرایند نفوذ کوچک مولکول‌های مذکور، توانستیم یک رابطه کمّی بین پارامتر‌های اصلی ساختاری شبکه پلی الکترولیت تعیین کننده رفتار نفوذ و ضریب نفوذ کوچک مولکول‌ها با استفاده از ابزار شبیه سازی دینامیک مولکولی ارائه دهیم که به نوبه خود گام بسیار مهم و ایده بسیار جدید در بررسی رفتار نفوذی درون پلی الکترولیت‌های تبادل یونی هست.

به گفته محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر، برای بررسی یک فرایند با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی و به عنوان اولین چالش نیاز است تا ثابت کنیم نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی نتایج قابل اعتمادی است. به این منظور، نیاز به معرفی دقیق سامانه‌های پلیمری مورد مطالعه به نرم‌افزار شبیه سازی و همچنین مقایسه برخی از داده‌های شبیه سازی با داده‌های آزمایشگاهی، مانند دانسیته، است.

وی ادامه داد: به دلیل جدید بودن موضوع مورد مطالعه و نبود مطالعات شبیه سازی پلی الکترولیت‌های مذکور محاسبات بسیار زیادی برای پارامتریزه کردن ساختار‌ها انجام شد که در حقیقت پیچیدگی اصلی این پژوهش بود و زمان بسیار زیادی را به خود اختصاص داد.

وی گفت: استفاده از غشا‌های تبادل یونی در صنایعی مانند تولید پیل‌های سوختی، غشا‌های تصفیه آب و صنایع غذایی کاربرد فراوانی دارد.

از یک طرف، به دلیل هزینه بسیار پایین‌تر ابزار شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در مقایسه با روش‌های آزمایشگاهی و از طرفی دیگر قابلیت مشاهده فرایند در مقیاس مولکولی توسط این ابزار، که توسط هیچ دستگاه آزمایشگاهی قابل مشاهده نیست، روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به یک ابزار استثنائی برای انجام پروژه‌های مربوط به فرایند نفوذ و مطالعات مشابه تبدیل شده است.

وی با اشاره به کاربرد‌های پروژه گفت: کاربرد‌های این مطالعه بهینه‌سازی غشا‌های پلیمری از جمله پلی الکترولیت‌ها به منظور بهبود انتخاب پذیری آن برای عبور کوچک مولکول‌ها است. منظور از انتخاب پذیری قابلیت عبورپذیری جزء دلخواه بدون عبوردهی اجزای بی‌اهمیت است. به عنوان مثال، در بحث پیل‌های سوختی هدف اصلی ما عبور دهی بالای یون و جلوگیری از عبور سوخت است که معمولاً سوخت مورد استفاده در پیل‌های سوختی متانول است.

گفتنی است، اساتید راهنمای این پروژه دکتر فرهاد شریف، دکتر حسام مکّی و استاد مشاور دکتر رولاند نتز هستند.