受限于納米碳管中水的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、自1991年Iijima博士發(fā)現(xiàn)納米碳管以來，納米碳管以其獨(dú)特的電學(xué)和力學(xué)性能成為微觀物理研究中最具吸引力的領(lǐng)域。納米碳管作為一維管狀分子，通常認(rèn)為由石墨片卷曲而成，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有極高的表面積，從而表現(xiàn)出極強(qiáng)的吸附性能；同時其管狀空腔具有較大的容積，可作分子儲備介質(zhì)。這些特點(diǎn)與復(fù)雜的生命蛋白質(zhì)離子通道有著相似之處，作為一種研究生物化學(xué)反應(yīng)的基本模型，納米碳管中的生命分子和溶液的傳輸是揭示眾多未知生命現(xiàn)象的重要途徑。而研究表明水分子對

2、于維持生物細(xì)胞的輸運(yùn)暢通與電化學(xué)勢平衡發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。所以在研究碳管吸附與運(yùn)輸現(xiàn)象中，水的作用人們最關(guān)注。 分子動力學(xué)模擬是化工、材料、地質(zhì)和生物研究中的一種現(xiàn)代研究方法。采用它來研究納米碳管中受限溶液的微觀特性對建立合理的離子通道中受限分子傳遞機(jī)理的模型具有重要意義。本文用分子動力學(xué)模擬對受限于納米碳管中水分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)及動態(tài)性質(zhì)進(jìn)行研究，通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)受限水分子有明顯區(qū)別于大塊冰的性質(zhì)。 首先對分子模擬的

3、起源、發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題作了簡要的論述。對現(xiàn)有的分子動力學(xué)模擬方法，原子、分子體系運(yùn)動方程的解法，位能及其選擇方法，初始構(gòu)型的搭建，模擬結(jié)果的處理和分析，納米碳管的結(jié)構(gòu)和性能等作了較全面的論述。 對具有類似管徑的armchair和zigzag型碳管在水浴中的靜態(tài)性質(zhì)進(jìn)行了MD模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜態(tài)性質(zhì)主要受管徑而非螺旋性的影響，進(jìn)一步又對碳管中水分子的動態(tài)性質(zhì)作了定量分析。采用300K，1..0×10<'5>Pa的NPT

4、系綜，分別對不同直徑的armchair型和zigzag型碳管中水分子進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示管徑與螺旋性對受限水的動態(tài)性質(zhì)均有不同程度的影響。受限在armchair型碳管中水分子的運(yùn)動要比在zigzag碳管中的更激烈、更迅速一些。而管徑對水分子的動態(tài)性質(zhì)的影響表現(xiàn)為：碳管管徑越大，水分子的運(yùn)動快，但是在較小的管子(5，5)(6，6)中，雖然后者管徑比前者大，但是管中水分子的運(yùn)動卻比(6，6)的快，有人提出這是與管中的平均氫鍵數(shù)有關(guān)，即在較小

5、的管中，平均氫鍵數(shù)越少，水分子運(yùn)動的越快。 最后，在1.01×10<'5>Pa的NPV系綜下，采用從300K逐漸降溫至190K(或150K)的方法，對受限于不同直徑(11.001A-13.751A)armchair型納米碳管中的水分子進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示不同直徑碳管中的水分子會發(fā)生無序到有序的相變，并且分別形成不同于大塊冰的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時計算了不同溫度水分子的偶極矩角度分布函數(shù)，通過描述水分子偶極矩與半徑的夾角分布，可以了解水分