基于碳納米管的流體器件設計.pdf

1、隨著實驗技術的不斷發(fā)展，合成或制備各種基于碳納米管的復雜結構正在成為現(xiàn)實，這不僅為研究復雜納米結構的物性提供了可能，同時為設計各種納米器件帶來了希望。本文采用分子動力學模擬方法，研究了一系列碳納米管分子結的結構和相關物性，探討了這些新型分子結作為納米器件的可能性，設計出了流體閥門、分子篩、納米儲氫罐等納米流體器件。
　　 一、通過構造結構不同的碳納米管分子結，獲得了形成分子結的基本關系，計算了碳納米管分子結內C60的運動勢壘，我

2、們獲得了在這些分子結中吸附能的變化規(guī)律。其中，形成碳納米管分子結的碳納米管半徑是導致C60勢能曲線不同的主因?！懊薄毙吞技{米管中，當管徑大于(21，0)時，C60在管口附近具有兩個平衡位置。在“I”型管中，主管半徑大于(21，0)時，C60在兩管相接處也具有兩個平衡位置。在“T”型管中，主管和支管管徑相差越小，C60在兩管相接處的能量越低?！笆帧毙凸苤?，我們也發(fā)現(xiàn)了類似于“T”型管中的規(guī)律。此外，不同的碳納米管分子結，由于其結構以及C

3、60所具有的穩(wěn)定位置的不同，可以用于設計不同種類的流體閥門器件。
　　 二、在由主管(12，12)分別和支管(6，6)及(12，0)所組成的“I”型碳納米管分子結中，C60在兩管相接處有兩個穩(wěn)定位置A和B。采用分子動力學模擬方法，通過控制C60周圍流體的壓強差，我們測試了流體在碳納米管分子結內的流動行為。C60和管壁間的弱范德華力，使其能夠在流體壓強差改變時，分別處于管內的兩個穩(wěn)定位置，關閉或打開閥門中流體的流動。從而形成僅由流

4、體自身壓強操控的納米流體閥。
　　 三、基于由(20，0)和(5，5)型碳納米管組成的碳納米管分子結和C60分子，我們設計了一種用于篩選氫分子的分子篩。C60和管壁之間所形成的通道，是一個尺寸可變的通道。它能夠使氫分子自由通過，而阻礙其它氣體分子(氬和氬)的流通。研究表明，篩選的主要機制在于氫自身以及和其它分子間的弱排斥相互作用以及尺寸可變通道的存在。
　　 四、利用C60和“帽”型碳納米管，我們設計了一種球閥結構-壓強

5、驅動下用于液態(tài)氣體存儲的閥門。C60和“帽”型碳納米管頂端碳原子間的弱范德華相互作用，就好像“彈簧”一樣牢牢抓住C60，使之在管端的吸附能達到1eV。通過球閥周圍或內部體積的變化，可以推動C60，使其堵住閥門口的液體，阻止已儲存在球閥內流體的擴散。據(jù)估計，這樣的球閥結構能承受的內壓在40GPa。
　　 五、通過在碳納米管管端引入具有親水作用的羧基基團，并利用管口的親水基團吸附一定量的冰，從而實現(xiàn)封堵管口的作用。這樣一種設計也可以