纳米通道中的缺陷对水分子输运的影响
研究微观世界中水分子在受限空间中的结构和运动规律已成为一个非常重要的研究课题。而实际的受限孔道却往往非常复杂，通过分子动力学模拟，纳米碳管中的生命分子和溶液的传输是揭示众多未知生命现象的重要途径。在理论或者数值模拟上有很多关于纳米管道中水分子输运的研究，但是都是采用无缺陷单壁碳管(SWNT)作为纳米水通道的简化模型。然而，碳纳米管在实际制备过程中，生成的单壁碳管样品中，存在很多稳定的缺陷结构。近年来，通过研究发现，缺陷对于碳纳米管的生成、电学性质、机械性能有着很重要的影响。但是，目前，在理论或者数值模拟上没有关于碳纳米管中的缺陷对纳米管道中水的输运影响的研究。本论文围绕碳纳米管中的缺陷对纳米管道中水分子输运的影响，采用分子动力学模拟，进行了探索性研究。
首先，通过使用分子动力学模拟，研究单壁碳纳米管中常见的(5/7)拓扑缺陷的对水分子输运的影响。通过模拟发现：当碳管中缺陷密度较小时，通过纳米管道的水流量flow受到较小影响；当碳管中缺陷密度较大时，flow受到较大影响。并且，水分子在纳米管道中的一维扩散系Dw与水流量flow的变化趋势相同。并且计算了纳米管道中的水分子在轴向上的平均力势(PMF)，当碳纳米管中(5/7)拓扑缺陷个数超过3个时，水流量flow随着PMF势垒高度幂指数衰减。此项工作有助于更好的理解实际制备的碳纳米管和具有复杂结构的生物水通道，以及其它一些有粗糙内表面纳米管道(硼氮管以及硅管)的通透性。然后，本文又研究了碳纳米管中的电荷修饰对水分子输运的影响。经过负电荷修饰的碳管口，当碳原子上所加电量较小时，与无电荷修饰的碳管相比，碳管口上的电荷更强的吸引作用来补充水分子从bulk中进入碳管损失的一部分断裂氢键的能量，有助于更多的水分子较为容易地进入碳管，提高通过纳米管道的水流量flow与静流量flux。但是，随着碳原子上所加电量增加到一定值时，碳管两端形成了很强的静电场使得管内水分子的偶极发生重排，形成了L-defect，阻碍水分子通过碳管。
- 作者：
- 李松焱
- 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：
- 硕士
- 学位年度：
- 2008年
- 导师姓名：
- 方海平
- 中图分类号：
- TB383；O648.121
- 关键词：
- 分子动力学；单壁纳米碳管；水分子输运；拓扑缺陷；电荷修饰
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