带电纳米管道中水的输运性质研究
水分子受限在纳米尺度的孔道中表现出与宏观体相水(bulk water)不一样的性质，其具体微观运动规律与机制引起了广泛的兴趣。例如，实验表明水分子在纳米碳管道中的流速比宏观流体力学理论预测的要快3个数量级。因此，纳米管道如果应用于海水淡化方面，有望将大大减低能耗。研究这些水在纳米尺度通道中发生的有趣现象背后的规律与机制，对人们理解许多重要的纳米孔道中溶液输运过程非常有帮助，也有助于对某些生物水通道的结构和功能的理解，对纳米流器件等研究有重要的意义。
在生物中，生物管道是有一些特定的跨膜蛋白通道组成，这些跨膜蛋白通道中有一些带电的氨基酸残基。氨基酸残基上的电荷，对于水分子、离子以及分子的通过、有效排除质子的疏运等功能起着非常重要的作用。另一方面，一般的纳米管上可以通过化学等手段修饰上一些带电的基团以改变其输运特性。本论文主要通过简单的模型，改变纳米管道的电荷分布手段，研究不同的电荷位置和大小对水分子和溶质行为的影响。研究方法主要是分子动力学模拟。
我们首先研究了管道上带电量对有离子的水溶液通过管道的影响。我们在直径为0.9nm的管道上均匀加上从0到±4e的总电量。管道两边为浓度不同的氯化钾溶液，在渗透压的作用下，水从浓度低的溶液通过管道流入浓度高的溶液，形成渗透水流。模拟结果显示，不带电和带电量很小(总电量为±1e)的管道，离子很难进入管道。对于带有较高电量的管道，与管道所带电性相反的离子因为管道对离子的静电吸引力吸引而进入管道，电量越高，离子越容易进入管道。然而不同的离子进入管道对渗透水流产生不一样的影响。当较小的离子(K+)进入管道，渗透水流与未被离子进入管道的情况相差不大。甚至管道进入两个K+离子的情况，渗透水流仍然存在。但是对直径较大的离子(Cl-)来说，Cl-离子进入管道后，水流就被阻断。
我们还研究管道不同的带电方式对水分子通过管道的影响。我们以直径为0.81nm的(6，6)碳纳米管为模型，改变管道管口的一部分碳原子的电量。结果表明，当管口取合适的电量时，管口电荷对水分子的吸引作用可以降低水进入管道的势垒高度，减少水分子进入管道的时间，从而可以很大地提高水的流量。这个发现提供了一种思路通过管口的修饰来进一步提高水的流量，希望从理论(包括模拟)上设计具有更高通透性微纳米水通道。
在生物上，一些生物通道常是由多个亚管道组成的，以一定的形式存在于细胞膜上，比如形成二聚体，四聚体等的结构，液体分子分别从四个单体管道穿过。另外，在实验中，一些纳米管道膜的制作是以一些固体的材料为模板，如Si3N4，在这些模板上生成纳米管，纳米管在这些模板中以一定的阵列方式聚集在一起。水是一种具有很强极性的液体。这些纳米管道的组成结构是否会对水的流动性产生一定的影响?我们发现，在比较短的管子中，管子中心距离只有0.62 nm的情况下，相邻水链间的相互影响仍然可以忽略的。
- 作者：
- 曾立
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海应用物理研究所
- 专业名称：
- 粒子物理与原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2009年
- 导师姓名：
- 方海平
- 中图分类号：
- TB383；P747
- 关键词：
- 纳米水通道；碳纳米管；输运性质；海水淡化；生物管道；跨膜蛋白通道
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