سامانه ثبت نام

کاربرد دانش شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی در محیط زیست

21 شهریور 1395

در این مقاله به کاربرد دانش شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی در محیط زیست پرداخته شده است که جزو محورهای نخستین همایش بین المللی شیمی ایران نیز است.

مضرّات و آثار سوء کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت مربوط به انواع مختلف آلودگی (Pollution) آب، هوا، خاک، پسماندهای خطرناک (Waste Products)، فلزات سنگین و غیره بر کسی پوشیده نیست. امروزه در سراسر گیتی، هزینه هایی گزاف در راستای کنترل و بی خطرسازی آلاینده ها مصرف میگردد 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 میتواند کمکی قابل ملاحظه به حفاظت و صیانت از محیط زیست و تضمین سلامت مردم نماید؛ ضمن آنکه پدیده مخرب ریزگردها (Dust) را نیز که استانهای 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 میانکنشها دارای اهمیت ویژه در حوزه محیط زیست و سلامت انسان میباشند. با توجه به اینکه واکنشهای رایج در مقیاس نانو، ذاتاً در سطح مولکولی روی میدهند، هماهنگی دقیق در خصوص مطالعه ذراتِ در مقیاس نانو مرتبط با سیستمهای طبیعی از یکسو، و قوانین شیمی کوانتومی  (Quantum Chemistry)و شیمی محاسباتی (Computational Chemistry) وجود دارد.

 مبنای شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، مدلسازی و انجام محاسبات بسیار پیچیده، طولانی و زمان بر،  براساس تحلیل انواع مختلف معادلات شرودینگر (Schrödinger equations) 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، ویژگیهای خاصی را از خود نشان میدهند به طوری که میتوان آنها را به تفکیک مطالعه کرد و همچنین واکنشهای 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 برهمکنشهای 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 میزبانها در محیط زیست میتوان 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، ویژگیهای شیمیایی، بار الکتریکی، حالات الکترونی، خصوصیات مغناطیسی و سرانجام، میانکنشهای نانوذرات در محیط زیست، بستگی به نحوه ارتباطات آنها با سایر ذرات، مولکولها و میزبانها دارد؛ بنابراین، مهندسی مولکولی و درک دقیق اینگونه ارتباطات در سطح اتمی بسیار ضروری است.

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 روشهای 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 سازیها (Simulations) و روشهای علمی سطح بالا مبتنی بر مکانیک کوانتومی (Quantum Mechanics)، شیمی کوانتومی، شیمی محاسباتی و دینامیک مولکولی (Molecular Dynamics) میباشد. بعلاوه، با توجه به اینکه دستیابی به بسیاری از ویژگیهای ساختاری و الکترونی نانوذرات و چگونگی ارتباطات و واکنشهای آنها با سایر ترکیبات در محیط زیست، به صورت آزمایشگاهی بسیار مشکل و حتی در مواردی غیر ممکن است، شبیه سازیهای 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 میتوان به طول و زاویه پیوندها، ممان دو قطبی، تفاوت سطوح انرژی، توضیح طیفهای مولکولی، پایداری مولکولها، پیش بینی خواص آروماتیکی، فرکانسها و شدت خطوط طیفی، مکانیسم واکنشهای الکتروشیمیایی و ... اشاره نمود. 

از دو دیدگاه تئوریک و کاربردی، بررسی نانوذرات در محیط زیست و برهمکنشهای آنها با سایر ترکیبات در مقیاس مکانیک کوانتومی، اهمیت بسیار دارد. در مقایسه با سایر روشهای تجربی، فقط مکانیک کوانتومی قادر به دریافت ویژگیهای فیزیکوشیمیایی نانوذرات میباشد؛ بر این اساس، مطالعه و کسب اطلاعات در خصوص ویژگیهای الکترونی و مغناطیسی، چه از جنبه تأثیرات آنها بر پایداری مواد و هم از نظر نوع واکنشهای احتمالی و پیش بینی نتایج حاصله، فقط از طریق محاسبات کوانتومی آبینیشیو (ab initio) امکان پذیر است. با توجه ویژه به این موضوع که واکنشهای اتم - اتم درون نانوذرات، نحوه واکنش با میزبانها و میانکنشهای احتمالی، از طریق به کارگیری روشهای مبتنی بر مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک آماری (Statistical Thermodynamics) قابل دستیابی است، بسیار مهم است که با استفاده از اطلاعات دریافت شده از مدلهای مکانیک کوانتومی سطح بالا، بتوان سایر روشهای مناسب تجربیِ مدلسازی مولکولی مبتنی بر میدانهای نیرو (Force Fields) را نیز توسعه بخشید و مجموعه پارامترها و توابع را تعیین نمود.

ج) ذکر برخی از نمونه ها و مثالهای کاربردی:

با استفاده از اطلاعات حاصل از مدلهای شیمی کوانتومی، محاسبات مربوط به دینامیک مولکولی میتوانند به مدلسازی دینامیک (وابسته به سایز) نانوذرات در محیط زیست - به ویژه هنگامی که با میزبانهای جامد یا سیال تلفیق شده باشند - کمک شایانی نمایند. مدلسازیهای مولکولی دارای کاربردهای فراوان در علوم محیط زیست، شیمی محاسباتی، زیست شناسی ریاضی(Mathematical Biology)، شیمی کوانتومی، شیمی انفورماتیک (Chemoinformatics)، شیمی سنجی (Chemometrics)، 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 اتمی (Atomic Absorption) نیز از قوانین علمی مبتنی بر شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی استفاده مینماید.

همچنین، برای مشخص نمودن ساختمان ایزومرهای فضاییِ (استریو ایزومترها) ترکیبات شیمیایی محیط زیستی، از روشهای همزمان مبتنی بر شیمی کوانتومی – شیمی محاسباتی وHPLC بهره گیری میشود.

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 (هالونها)، هیدروکربنهای حاوی فلوئور (CFC)، آروماتیکهای حاوی کلر (کلروفنولها) و ترکیبات فلزی - آلی  (Organometallic Compounds)، از شیوه های همزمان مبتنی بر شیمی کوانتومی – شیمی محاسباتی و GC / Mass استفاده میگردد.

از دیگر کاربردهای شیمی کوانتومی در حوزه محیط زیست، میتوان به بررسی و درک مکانیسمهای ردیابی   (Tracing)و جا به جایی فلزات آلاینده، حتی با مقادیر کمتر از ppm 10 در مقیاس نانو اشاره کرد؛ به ویژه، پژوهشهای مرتبط با ذرات معلق موجود در هوا که حامل فلزات سنگین هستند، ریزگردها، پیش بینی واکنشهای نامشخص و رفتار مولکولهایی مانندNOx ، SOx، CO، O3 و دیگر ترکیبات شیمیایی در محیط، ذرات خطرناک، مضر و فلزات سنگینِ موجود در کلوئیدها (محیطهای آبی) و همچنین نحوه تشکیل بایومینرالها در طبیعت، از دیگر موارد کاربردی استفاده از شیمی کوانتومی در محیط زیست میباشند. از طرف دیگر، از محاسباتِ مقیاسِ مولکولی میتوان برای بررسی واکنشهای 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 میانکنشهای مرتبط با آلاینده های محیط زیست بهره گرفت.

مدلسازی، پیش بینیِ نحوه پیشرفت واکنشها 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 میباشند. اینگونه مدلهای محاسباتی سطح بالا به میزان بسیار قابل توجه، قادر به تقلید رفتار اتمی و مولکولی نانوذراتِ موجود در سیستمهای محیط زیستی و چگونگی تشکیل نانوذرات در طبیعت میباشند.

خاطرنشان مینماید که از دیدگاه روش شناسی اقتصاد سنجی (Econometrics) و حسابداری محیط زیست، بی خطرسازی موثر پسماندها در مکان تولید با استفاده از روشهای 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 ماکرومولکولهای زیستی، چگونگی بیان شدن ژنها، مطالعه رفتار سیستمهای آنزیمی و نسخه برداری (RNA)، مدلهای پیشرفته مربوط به فرآیند جهش (Mutation)، نحوه پیوند بین آنزیم و سوبسترا، بررسی ساختمانهای ثانویه و سوم (سه بعدی) پروتئینها و سایر موارد مرتبط اشاره نمود؛ موارد اخیرالذکر، در شاخه های ژنتیک کوانتومی (Quantum Genetics)، بیوشیمی کوانتومی (Quantum Biochemistry) و شیمیِ ژنوم (Chemogenomix) مورد بررسی و پژوهش قرار میگیرند. اطلاعات و داده های پایه، از طریق بانکهای اطلاعاتی تخصصی مانند NCBI و همچنین، مطالعات آزمایشگاههای ژنتیک قابل حصول میباشد. هدف از برگزاری همایش شیمی ارائه جدیدترین یافته های پژوهشی در زمینه شیمی و کلیه گرایش های آن است.

 

 

برچسب: نخستین همایش بین المللی شیمی ایران، شیمی، شیمی تجزیه، شیمی معدنی، شیمی آلی، بیو شیمی، پلیمر های معدنی، سینتیک و مکانیسم واکنش های معدنی،اوربیتال، اتم، مولکول،پتروشیمی، فراخوان مقاله شیمی، فراخوان مقاله های شیمی، فراخوان مقالات شیمی،پایان نامه، جزوه های ارشد ، کنکور ارشد ، گواهی نامه کنگره ، گواهی نامه کنفرانس ، گواهی نامه همایش ، چاپ مقالات، چاپ مقالات گواهی نامه ،دریافت مقاله ، اکسپت مقالات 


479
مطالب مرتبط


لطفا با تكميل فرم ، نظرات ، پيشنهادات و انتقادات خود را در مورد مطلب منتشر شده با ما در ميان بگذاريد.
پيام شما پس از تاييد توسط مدير سايت ، منتشر خواهد شد.
 

 
Captcha


 
مجلات حامی

تماس با دبیرخانه

 

02133699094 

09193519331

 

02189786524

conf.ntpco[at]gmail.com

مرکز همایش