碳納米管內(nèi)不同物質(zhì)填充的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、碳納米管自1991年問世來,以其獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能引起了全世界范圍內(nèi)的研究熱潮。一方面,由于具有優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及光學(xué)特性,碳納米管在納米復(fù)合材料、光電納米器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。另一方面,碳納米管獨特的一維中空結(jié)構(gòu),使得外來物質(zhì)的填充成為可能,并且通過填充賦予了碳納米管更加新奇的特性,從而開辟了碳納米管研究及其應(yīng)用的一個全新領(lǐng)域。由于碳納米管尺度非常小,實驗研究碳納米管的填充現(xiàn)象非常困難,因此,利用分子模擬技術(shù)研究碳納

2、米管具有獨特的優(yōu)勢。本文旨在利用分子動力學(xué)模擬的方法研究不同物質(zhì)在碳納米管內(nèi)的填充情況,對整個填充過程進(jìn)行描述并對其機(jī)理進(jìn)行解釋,探索影響填充現(xiàn)象的因素,并提出一種基于碳納米管填充的納米釋放系統(tǒng)。
　　 首先,通過基于COMPASS力場的分子動力學(xué)模擬研究了聚合物分子短鏈在碳納米管中的填充情況,主要研究了聚合物分子的極性和碳納米管的修飾基團(tuán)的極性對填充現(xiàn)象的影響。研究表明聚合物分子和碳納米管的修飾基團(tuán)的極性均對聚合物分子在碳納米

3、管中的填充有阻礙作用。一方面,通過比較聚乙烯,聚氯乙烯和聚乙烯醇分子在碳納米管中的填充情況,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)極性的聚合物分子如聚氯乙烯和聚乙烯醇分子不能填充進(jìn)碳納米管中,而非極性的聚乙烯分子則可以填充碳納米管。另一方面,研究了修飾在碳納米管外壁上的修飾基團(tuán)的極性對聚合物分子在碳納米管中的填充現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明帶苯環(huán)的聚苯乙烯和聚苯乙炔分子可以填充進(jìn)未修飾和非極性基團(tuán)修飾的碳納米管中,但是卻不能填充進(jìn)極性基團(tuán)修飾的碳納米管。
　　 其次,

4、通過分子動力學(xué)模擬探索了聚合物分子長鏈在碳納米管中的填充情況,并且研究了聚合物分子長鏈在碳納米管腔內(nèi)形成的結(jié)構(gòu)及影響因素。模擬結(jié)果表明兩條聚乙炔分子鏈在范德華作用下可以填充到碳納米管腔內(nèi),并且在π-π堆積作用下自組裝形成類似DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。限域空間碳納米管的直徑對螺旋結(jié)構(gòu)的形成有很大的影響,但是碳納米管的手性對雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成影響卻很小。此外,模擬發(fā)現(xiàn)單條聚乙炔分子鏈填充進(jìn)碳納米管不能形成完美的螺旋結(jié)構(gòu),隨后提出了一種促進(jìn)螺旋結(jié)

5、構(gòu)形成的方法,即在碳納米管腔內(nèi)添加水團(tuán)簇,水團(tuán)簇對單條聚乙炔分子長鏈在碳納米管內(nèi)雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成有引導(dǎo)促進(jìn)作用。
　　 最后,通過分子動力學(xué)模擬的方法提出了一種基于碳納米管填充的納米釋放系統(tǒng),報道了一種新的方法來釋放碳納米管內(nèi)封裝的物質(zhì),即通過在碳納米管中填充新的物質(zhì)來占據(jù)碳納米管的腔內(nèi)空間,從而釋放碳納米管腔內(nèi)封裝的物質(zhì)。模擬結(jié)果表明碳納米管中封裝的分子如水、DNA或者藥物吲哚美辛分子都可以通過一個置換過程由碳納米管的新的填充

6、物(C60或者金屬納米線)釋放出來,其主要原因是碳納米管和新的填充物之間的范德華結(jié)合能比碳納米管與封裝物質(zhì)之間的范德華結(jié)合能要強(qiáng)很多。為了定量反映這個釋放過程,計算了封裝分子(或置換分子)與碳納米管之間的質(zhì)心距離。更進(jìn)一步的,對各種能量的研究表明釋放過程是一個自發(fā)的過程并且范德華力是整個釋放過程的主導(dǎo)作用力。最后,討論了幾個影響釋放過程的因素,例如碳納米管的直徑、長度。
　　 本文通過分子動力學(xué)模擬得到的結(jié)論從微觀上為碳納米管在