荷載呼吸振動模式和太赫茲場中的碳納米管水通道性質(zhì)的研究.pdf

1、納米受限空間的水表現(xiàn)出與宏觀體相水(Bulk water)不一樣的構型和動力學性質(zhì)，近年來已引起人們的廣泛關注。其中水在納米通道中的輸運性質(zhì)，對生命科學、物理化學、納米流體器件領域的發(fā)展都顯得特別重要。因為像分子篩、分子水泵、納米傳感器、反滲透膜脫鹽裝置、生物膜蛋白通道中水與離子的輸運等，都與水在納米通道中的輸運行為密切相關。以往的研究表明，水在適當孔徑的納米通道中，以單分子鏈的形式有序排列，它們通過氫鍵網(wǎng)絡聯(lián)系在一起，做協(xié)調(diào)一致的運動

2、。雖然目前已經(jīng)存在大量的納米水通道方面研究，但它們主要是考慮平均場的變化對水輸運性質(zhì)的影響，多體剩余相互作用和相應的集體運動模式并沒有受到人們足夠的重視。特別是，由于氫鍵的鏈接，構成這種有序鏈狀結構的水分子具有一定的振動和轉動頻率，與此相關的集體運動模式并沒有得到應有的關注。我們研究表明，外場誘導的集體激發(fā)可能會引起它們的共振，水分子在共振中能獲取較大能量擺脫氫鍵的束縛，從而會使相關輸運性質(zhì)發(fā)生顯著的變化。極性水分子能響應外界的機械振動

3、和電磁擾動，從這一點出發(fā)，本論文集中研究了碳納米管的呼吸振動和太赫茲電場對水輸運性質(zhì)的影響。
　　首先，我們利用分子動力學方法(Molecular Dynamics Simulations)研究了荷載呼吸模式的(6，6)單壁碳納米管(SWCNT)對其中水分子動力學性質(zhì)的影響。我們采用對碳納米管上的所有碳原子施加相同的周期外力的手段，模擬其呼吸模式。碳納米管和水之間通過范德瓦爾斯相互作用傳遞能量。研究結果表明，當呼吸模態(tài)的頻率處在3

4、～15 THz范圍內(nèi)，碳納米管內(nèi)水水之間的氫鍵被頻繁打斷，碳納米管內(nèi)水分子平均占有數(shù)明顯減少，水的凈流量(flux)顯著提高（峰值是遠離這個頻率范圍的3倍左右）。然而，當呼吸頻率遠離這個范圍時，水的輸運性質(zhì)幾乎不受任何影響。碳納米管內(nèi)的水分子鏈可以抽象為諧振子模型，經(jīng)過估算得到其固有頻率處在4.8～14.5 THz范圍內(nèi)。這個范圍很好的對應了大流量所在的頻率區(qū)間。這些現(xiàn)象說明了碳納米管內(nèi)的水與荷載呼吸模式的碳納米管之間是一種共振響應。我

5、們對不同長度和管徑的碳管以及不同的滲透壓都做了模擬，發(fā)現(xiàn)共振機制具有普適性。另外，研究表明(6，6)單壁碳納米管的呼吸頻率也處在這共振頻率范圍內(nèi)，這是將來實際應用的有利條件。
　　接著，我們又研究了太赫茲(THz)電場對納米通道中水的輸運性質(zhì)的影響。在模擬中，我們先是對系統(tǒng)施加了不同頻率、沿垂直于碳納米管軸方向的交變電場。水分子是極性分子，在交變電場中必然會受到電力矩的作用。研究結果表明，當對系統(tǒng)施加的太赫茲電場頻率在4～24 T

6、Hz范圍內(nèi)時，碳納米管內(nèi)的水分子與電場有很強的耦合作用，這導致水鏈被頻繁的打斷，管內(nèi)水分子的平均占有數(shù)明顯降低，凈流量顯著提高。當頻率低于這個范圍時，所加的交變電場相似于垂直于碳納米管軸向方向的靜電場，這導致凈流量急劇下降，在頻率減小到0.01 THz左右時，水分子幾乎很難穿過碳納米管道;當頻率在這個范圍之上時，凈流量也會急劇下降，當頻率增大到約40 THz以上時，電場對碳納米管里的水分子的影響可以忽略，水的輸運性質(zhì)幾乎不變化。同樣地，

7、利用諧振子模型，我們估算出水鏈的內(nèi)稟振動頻率處在約4～14THz范圍內(nèi)。然而，除了振動之外，太赫茲電場還能使水分子產(chǎn)生直接的轉動。我們估算出固有轉動頻率大概在14～24 THz范圍內(nèi)。結合這兩個共振頻率范圍，我們可以看出上述模擬得到的大流量對應的頻率區(qū)間與碳納米管中的水分子固有頻率區(qū)間基本一致。這個現(xiàn)象說明了碳納米管內(nèi)的水能夠與所加的太赫茲電場之間形成共振響應，水分子在共振中獲取足夠的能量，掙脫氫鍵的束縛，帶來相應的輸運性質(zhì)發(fā)生顯著的變