受限于納米碳管中水的分子動力學模擬.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、自1991年Iijima博士發(fā)現(xiàn)納米碳管以來,納米碳管以其獨特的電學和力學性能成為微觀物理研究中最具吸引力的領域。納米碳管作為一維管狀分子,通常認為由石墨片卷曲而成,獨特的結構使其具有極高的表面積,從而表現(xiàn)出極強的吸附性能;同時其管狀空腔具有較大的容積,可作分子儲備介質(zhì)。這些特點與復雜的生命蛋白質(zhì)離子通道有著相似之處,作為一種研究生物化學反應的基本模型,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、于維持生物細胞的輸運暢通與電化學勢平衡發(fā)揮著至關重要的作用。所以在研究碳管吸附與運輸現(xiàn)象中,水的作用人們最關注。 分子動力學模擬是化工、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理的模型具有重要意義。本文用分子動力學模擬對受限于納米碳管中水分子的靜態(tài)結構及動態(tài)性質(zhì)進行研究,通過模擬結果可以發(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)展及實際應用中的關鍵問題作了簡要的論述。對現(xiàn)有的分子動力學模擬方法,原子、分子體系運動方程的解法,位能及其選擇方法,初始構型的搭建,模擬結果的處理和分析,納米碳管的結構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)進行了MD模擬研究。結果發(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型碳管中水分子進行了模擬,結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,即在較小

5、的管中,平均氫鍵數(shù)越少,水分子運動的越快。 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行了模擬,結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)定結構。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

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