碳納米管中水分子輸運(yùn)的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、本文的研究?jī)?nèi)容有兩部分，分別是基于雙壁碳管的水泵設(shè)計(jì)和碳管陣列中水滲透的分子動(dòng)力學(xué)模擬。雖然許多學(xué)者在納米尺度下水分子輸運(yùn)領(lǐng)域的研究作出了很多努力，但要實(shí)現(xiàn)水分子在納米通道中穩(wěn)定高通量的單向流仍是一個(gè)難題。水分子在納米通道中的傳輸對(duì)于納米流器械的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。碳納米管由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，是水分子輸運(yùn)納米通道的重要候選者之一。
　　我們以(5，5)@(10，10)和(6，6)@(11，11)雙壁碳管作為基本單元，設(shè)計(jì)了納米水分子泵

2、（圖5.6），其中雙壁管的內(nèi)管作為水分子通道被固定，拉動(dòng)外管作為單向高通量水分子流的驅(qū)動(dòng)源。分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果表明:
　　(1)水通量受外管拉動(dòng)速度v的影響。隨著拉速v的增加，水分子通量先增大后減小。且(5，5)@(10，10)和(6，6)@(11，11)都在v為0.10(A)/ps時(shí)有最大水通量80.65 ns-1和137.10 ns-1;在同樣的拉速v下，(6，6)@(10，10)水泵比5，5）@(9，9)水泵的通量高。

3、r>　　(2)外管被拉動(dòng)時(shí)，內(nèi)管中的水分子軸向密度分布變化明顯，峰值增多，密度分布更趨向均勻，說明外管被拉動(dòng)時(shí)，水分子運(yùn)動(dòng)更流暢。
　　(3)水分子在碳管內(nèi)的輸運(yùn)過程中，會(huì)出現(xiàn)分子偶極矩翻轉(zhuǎn)，我們發(fā)現(xiàn)水分子偶極矩分布曲線的兩個(gè)峰值相差大時(shí)，對(duì)應(yīng)的水分子通量也越大。
　　這些發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)無滲透壓或靜水壓力梯度情況下水分子的輸運(yùn)提供了依據(jù)。
　　在水分子滲透碳納米管陣列方面。對(duì)幾個(gè)碳管間距不同的陣列模型的計(jì)算結(jié)果表明，碳管間

4、距(3.0(A))過小時(shí)，水分子無法通過碳管間隙，當(dāng)碳管間距增加到一定值(3.4(A))時(shí)，碳管間隙內(nèi)會(huì)有一條水分子鏈，繼續(xù)增大到一定值(7.0(A)),每個(gè)碳管都會(huì)被一層水分子包裹。碳管間距改變時(shí)，不僅碳管外部水分子密度分布不同，碳管內(nèi)部也有明顯差異，隨著碳管間距的增加，碳管內(nèi)的第一層水分子的位置會(huì)向管壁靠近。由于碳管間距不同時(shí)，碳管間隙中的水分子分布位置不同，因此水分子偶極矩取向也不一樣，而碳管間距為3.4(A)時(shí)，碳管間隙中的水分