Klatrat hidratlarda kafes-konuk etkileşimlerinin yapısal, enerjik ve topolojik özelliklerinin teorik olarak incelenmesi

Abstract

Klasik klatrat hidrat yapılarında, su molekülleri ve içine aldığı konuk molekülleri arasındaki Van der Waals etkileşimleri konak hücreyi kararlı yapar. Ancak son yapılan çalışmalarda, deneysel olarak tespit edilebilen uzun hayat ömürlü konuk-konak etkileşimleri de gözlemlenmiştir. Ancak, bu etkileşimlerin küçük ve büyük kafes konuklarının türüne ve kullanılan sıcaklığa bağlı değişiklikler gösterdiği gözlenmiş ama belli bir eğilim içerisinde olmadıkları rapor edilmiştir (Monreal vd, 2010; Monreal vd, 2011). Aynı şekilde, `tamamı buhar yönteminde` küçük kafeslerde yer alan konuk moleküllerin, küçük kafeslerin doldurulması için birbirleriyle yarıştıkları gözlenmiştir (Uras-Aytemiz vd, 2011; Uras-Aytemiz vd, 2012). `Eşitlik oranları` şeklinde ifade edilen terim, birbirleri ile yarışan moleküllerin miktarını belirlemek için kullanılmaktadır. Ayrıca eşitlik oranları, küçük kafes konuklarının kararlılıkları ile ilişkili olabileceği önerilmekte ve bu tezin bir konusunu içermektedir.Bu çalışma, klatrat hidratlarda konuk-konak etkileşimlerini farklı boyuttaki modeller ile teorik olarak incelemeyi amaçlamaktadır. Modeller, konuk-konak etkileşiminde yer alan dimer, trimer yapılarından, kafes yapılarına (tekli veya çiftli), sI ve sII kristal formlarına kadar uzanmaktadır. Bu çalışmanın ana araçları Gaussian 09, Quickstep, Aimall ve NCI paket programlarıdır. Sonuçlar, enerji (Gaussian 09 ve Quickstep paket programından), yapısal (Gaussian 09 ve Quickstep paket programından), dinamik (Quickstep paket programından) ve topolojik (Aimall ve NCI paket programından) açıdan incelenmiştir.

In `the classical clathrate hydrate structures`, the van der Waals interactions between water molecules and the enclosed guest molecules stabilize the host lattice. However, in recent studies, long-lived host-guest interactions detected experimentally have been observed. These interactions shows difference depending on the kind of small and large cage guests and temperature, however, it was reported that there was no tendency (Monreal, 2010; Monreal, 2011). In a similar manner, in `all vapor method`, it is observed that small cage guest molecules compete with each other for the small cage occupation (Uras-Aytemiz et al. 2011; Uras-Aytemiz et al. 2012). The term called `equivalency ratios` is used to quantify this competition. Furthermore, it is suggested that the equivalency ratios might be related the small cage guest stabilities and one of the main subjects of this dissertation.The aim of this study is to investigate theoretically guest-host interactions in the clathrate hydrates with different sizes of models. The models are extended cage structures (single or double) and crystalline forms of sI and sII. The main tools of this study are electronic packages Gaussian 09, Quickstep, Aimall and NCI. The results will be searched in terms of energetics (from Gaussian 09 and Quickstep), structural (from Gaussian 09 and Quickstep), and topological (from Aimall and NCI).