ویژگی های سطحی و نحوه انتقال گرما در نانوسامانه طلا-آب به روش مدلسازی دینامیک مولکولی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی شاخه خمینی شهر ، خمینی شهر، اصفهان

2 گروه فیزیک پزشکی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی همدان، همدان، همدان

چکیده

هدف از این مطالعه، شبیه‌سازی سیستمی متشکل از آب-نانوذرات طلا و بررسی ویژگی‌های و نحوه انتقال گرما از نانو ذرات به محلول می‌باشد. شرایط اولیه سیستم با کمک دو نرم‌افزار متن‌باز Packmol و Moltemplate، و معادلات حاکم، در نرم‌افزار متن‌باز LAMMPS برای سیستم موردنظر تعریف شد. تحلیل‌های بعد از شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزارهای MATLAB، VMD و Python انجام گردید. برای بررسی پروسه انتقال گرما از نانو ذرات طلا به محلول از روش SNEMD استفاده شد. طبق نتایج، اضافه نمودن نانو ذرات طلا به آب باعث کاهش ضخامت سطح تقابل آن و افزایش انسجام ذرات سیال در این سطح می‌شود. همچنین نرخ افزایش کشش سطحی با افزایش غلظت نانو ذرات و کسرمولی، در نانو ذرات با قطر بیشتر، نسبت به نانو ذرات کوچک‌تر، بیشتر است. در پروسه خنک‌سازی نانو ذرات، گرما در محلول در فاصلهnm 2 در فاصله زمانی کمتر از ps5 انتقال پیدا می‌کند و رسانش گرمایی در اولین لایه آب نزدیک به نانوذره 50 بیش از دیگر قسمت‌های محلول است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت، با افزایش چگالی مولکولی در سطح نانو سیال، و کاهش سطح تقابل لایه سطحی، احتمال اختلاط نانو سیال با مایعات داخل بدن کاهش می‌یابد. این پدیده می‌تواند به منجر به بالا رفتن بازده نانو سیال در روش‌های تشخیصی و درمانی شود. در صورت استفاده از نانو ذرات طلا در هایپرترمیا، افزایش دما اثر بیشتری بر مرگ سلول‌های سرطانی نزدیک نانوذره نسبت به بافت‌های سالم توموری در فاصله دورتر خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها


[1] M. Faraday, "The bakerian lecture: Experimental relation of gold (and other metals) to light". Philos. Trans. R. Soc. Lond, 147, 145-181,1857.
[2] M. Giersig, P. Mulvaney, "Preparation of ordered colloid monolayers by electrophoretic deposition. Langmuir",9, 3408-3413, 1993.
[3] M. Haruta, T. Kobayashi, H. Sano, N. Yamada, "Novel Gold Catalysts for the Oxidation of Carbon
Monoxide at a Temperature far below 0 °C", Chem. Lett, 405-406, 1987.

[4] A. Henglein, "Radiolytic Preparation of Ultrafine Colloidal Gold Particles in Aqueous PolutioS:  Optical Spectrum, Controlled Growth, and Some Chemical Reactions", Langmuir, 15, 6738, 1999.
 [5] مریم فرحناک ضرابی ، زهرا صفاری، عظیم اکبرزاده، "تهیه و کاربردهای زیستی، کاتالیستی و پزشکی نانوذره های طلا"، مجله تازه های بیوتکنولوژی سلولی-مولکولی،17-9، 1392,13،4
[6]X.D. Zhang, D. Wu, X. Shen, J. Chen, Y.M. Sun, P.X. Liu, X.J. Liang, “Pize-dependent radiosensitization of PEG-coated gold nanoparticles for caScer radiatioS therapy”, Biomaterials, 33, 27,6408-19, 2012.
[7] J.Y. Wang, J. Chen, J. Yang, H. Wang, X. Shen,Y.m. PuS, m. Guo, X.S. ZhaSg, “Effects of surface charges of gold nanoclusters on long-term in vivo biodistribution, toxicity, and cancer radiation therapy”, International Journal of Nanomedicine, 11,27 ,3475-3485, 2016.
[8] N. Ma, F.G Wu, X. Zhang, Y.M. Jiang, H.R. Jia, H.Y. Wang, Y.H. Li, P. Liu, N. Gu, Z. Chen, “Phape-Dependent Radiosensitization Effect of Gold Nanostructures in Cancer Radiotherapy: Comparison of Gold Nanoparticles, Nanospikes, aSd MaSorods” ACS Appl Mater Interfaces, 9,15, 13037-13048, 2017.
[9]M.A.Sirotkina,V.V.Elagin,M.V.Shirmanova,M.L.Bugrova,L.B.Snopova,V.A.Kamensky,V.A.Nadtochenko,N.N.Denisov,E.V.Zagaynova,”OCT-guidedlaserhyperthermiawithpassivelytumor-targetedgoldSaSoparticles”JBiophotonics,3,718-27,2010.
[10] A. Shiotani , Y. Akiyama, T. Kawano,Y. Niidome, T. Mori, Y. Katayama, T. MiidoMe,” Activeaccumulation of gold nanorods in tumor in response to near-iSfrared laser irradiatioS”, Bioconjug Chem., 17,21,11,2049-54, 2010.
[11] Z. Zdrojewicz, m. /aracki, B. Bugaj, S. SypSo, K. Cabała, "medical applicatioSs of SaSotechSology", Sostepy higieny i MedycySy doswiadczalSej, 69,1196, 2015.

[12] G. Frens, "Controlled Nucleation for the Regulation of the Particle Size in Monodisperse Gold Suspensions", Nature: Phys. Sci, 241, 20-22, 1973.

[13] B. Shi, Y.K.Shin, A.A. Hassanali, S.J. Singer, "Biomolecules at the amorphous silica/water interface: Binding and fluorescence anisotropy of peptides", Colloids Surfaces B Biointerfaces,157, 83–92, 2017.
[14] A. Vallee, V. Humblot, C.M. Pradier, "Peptide Interactions with Metal and Oxide Surfaces", Acc. Chem. Res, 43, 10, 1297–1306, 2010.

[15] P.L Kapitza, "Heat transfer and superfluidity of helium II", Phys. Rev, 60, 4, 354–355, 1941.

[16] Computational Molecular Dynamics:Chalenges, Methods, Ideas.2014.

[17] S. Merabia, S. Shenogin, L. Joly, P. Kebllnski, J. L. Barrat, “ Heat transfer from nanoparticles: Acorresponding state aSalysis”, PNAS, 106, 36, 15113-15118, 2009.

[18] H. Hu, Y. Sun, "Effect of nanopatterns on Kapitza resistance at a water-gold interface during boiling: A molecular dynamics study" J. Appl. Phys, 112, 5, 2012.

[19] A. Rajabpour, R. Seif, S. Arabha, M.M. Heyhat, S. Merabia, A. Hassanali, "Thermal transport at a nanoparticle-water interface: A molecular dynamics and continuum modeling study", J. Chem. Phys, 150, 11-20, 2019.

[20] B.J. Alder, T.E Wainwright, “Ptudies in molecular dynamics. I. General Method”, The Journal of Chemical Physics, 31, 2, 459-466, 1959.

[21] A.I Jewett, Z. Zhuang, J.E. Shea, "Moltemplate a coarse-grained model assembly tool" Biophysical Journal, 104, 2, 2013, 169, 2013.

[22] M. Nikzad, A.R. Azimian, M. Rezaei, S. Nikzad, "Water liquid-vapor interface subjected to various electric fields: A molecular dynamic study", The Journal of Chemical Physics, 147, 20, 204701- 7, 2017.
[23] R.W. Hockney, J.W. Eastwood, "Computer simulation using particles", crc Press, 1988.

[24] U. Essmann, L. Perera, M.L Berkowitz, T. Darden, H. Lee, "Pedersen LG. Amooth particle mesh Ewald method" , The Journal of chemical physics,103, 8577-8593, 1995.

[25] M.J.P Nijmeijer, C. Bruin, A.F. Bakker, J.M.J Van Leeuwen, "Wetting and drying of an inert wall by a fluid in a molecular-dynamics simulation", Physical Review, 42, 10, 6052-6059, 1990.
[26] R.E. Isele-Holder, W. Mitchell, A.E. Ismail, "Development and application of a particle-particle particle-mesh Ewald method for dispersion interactions", The Journal of chemical physics, 137,
17, 174107-174121, 2012.

[27] R.D. Mountain, "An internally consistent method for the molecular dynamics simulation of the surface tension: application to some tip4p-type models of water", The Journal of Physical Chemistry, 113, 2, 82-486, 2008.

[28] G. Lu, Y.Y. Duan, X.D. Wang, "Surface tension, viscosity and rheology of water-based nanofluids: a microscopic interaction on the molecular level", Journal of Nanoparticle Research, 16,112-118, 2014.

[29] P.C. Chen, P. Roy, L,Y. Chen, R. Ravindranath, H.T. Chang, "Gold and Silver Nanomaterial‐Based Optical Sensing Systems", Part Part Syst Charact, 31, 917–942, 2014.

[30] M.M. Heyhat, A. Rajabpour, M. Abbasi, S. Arabha, "Importance of Nanolayer Formation in Nanofluid Properties: Equilibrium Molecular Dynamic Simulations for Ag-Water Nanofluid", J. Mol. Liq, 12, 67-782018.

[31] Y. Ma, Z. Zhang, J. Chen, K. Sääskilahti, S. Volz, J. Chen, "Ordered water layer induced by interfacial charge decoration leads to an ultra-low Kapitza resistance between graphene and water", Carbon N.Y, 135, 263–269, 2018.

[32] M. Frank, D. Drikakis, "Solid-like heat transfer in confined liquids,” Microfluid. Nanofluidics", 21, 9, 148, 2017.
[33] F. Römer, A. Lervik, F. Bresme, "Nonequilibrium molecular dynamics simulations of the thermal conductivity of water: A systematic investigation of the SPC/E and TIP4P/2005 models", J. Chem. Phys,
137,134-142, 2012.

[34] P. Estelle, D. Cabalerio, G. Zyla, L. Lugo, S.M.S. Murshed, "Current trends in surface tension and wetting behavior of nanofluids", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 94, 931–944, 2018.
[35] T. Young, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 95, 65-71, 2006.

[36] R.A. Erb, "The wettablity of Gold", The journal of Physical Chemistry, 14, 112-119,1967.

[37] A. Lervik, F. Bresme, S. Kjelstrup, " Heat transfer in soft nanoscale interfaces: the influence of interface curvature" Soft Matter, 5, 2407-2412, 2019.

[38] Y. Wang, P. Keblinski, "Role of wetting and nanoscale roughness on thermal conductance at liquid-solid interface", Appl Phys Lett, 99, 1–3, 2011.

[39] L. Xue, P. Keblinski, S.R Phillpot, S.U.S. Choi, J.A. Eastman, "Effect of liquid layering at the liquid-solid interface on thermal transport", Int. J. Heat Mass Transf, 47, 4277– 4284, 2004.

[40] A. Pham, M. Barisik, B. Kim, "Pressure dependence of Kapitza resistance at gold/water and silicon/water interfaces", J. Chem. Phys, 139, 1–10, 2013.

[41] X. Wu, "Thermal Transport across Surfactant Layers on Gold Nanorods in Aqueous Solution", ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 10581–10589, 2016.

[42] J. Soussi, S. Volz, B. Palpant, A. Chalopin, "A detailed microscopic study of the heat transfer at a water gold interface coated with a polymer", Appl. Phys. Lett, 106, 9 ,93113-93117, 2015.