基于碳納米管的流體器件設(shè)計(jì).pdf

1、隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，合成或制備各種基于碳納米管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)正在成為現(xiàn)實(shí)，這不僅為研究復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的物性提供了可能，同時(shí)為設(shè)計(jì)各種納米器件帶來(lái)了希望。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了一系列碳納米管分子結(jié)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)物性，探討了這些新型分子結(jié)作為納米器件的可能性，設(shè)計(jì)出了流體閥門、分子篩、納米儲(chǔ)氫罐等納米流體器件。
　　 一、通過(guò)構(gòu)造結(jié)構(gòu)不同的碳納米管分子結(jié)，獲得了形成分子結(jié)的基本關(guān)系，計(jì)算了碳納米管分子結(jié)內(nèi)C60的運(yùn)動(dòng)勢(shì)壘，我

2、們獲得了在這些分子結(jié)中吸附能的變化規(guī)律。其中，形成碳納米管分子結(jié)的碳納米管半徑是導(dǎo)致C60勢(shì)能曲線不同的主因?！懊薄毙吞技{米管中，當(dāng)管徑大于(21，0)時(shí)，C60在管口附近具有兩個(gè)平衡位置。在“I”型管中，主管半徑大于(21，0)時(shí)，C60在兩管相接處也具有兩個(gè)平衡位置。在“T”型管中，主管和支管管徑相差越小，C60在兩管相接處的能量越低。“十字”型管中，我們也發(fā)現(xiàn)了類似于“T”型管中的規(guī)律。此外，不同的碳納米管分子結(jié)，由于其結(jié)構(gòu)以及C

3、60所具有的穩(wěn)定位置的不同，可以用于設(shè)計(jì)不同種類的流體閥門器件。
　　 二、在由主管(12，12)分別和支管(6，6)及(12，0)所組成的“I”型碳納米管分子結(jié)中，C60在兩管相接處有兩個(gè)穩(wěn)定位置A和B。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，通過(guò)控制C60周圍流體的壓強(qiáng)差，我們測(cè)試了流體在碳納米管分子結(jié)內(nèi)的流動(dòng)行為。C60和管壁間的弱范德華力，使其能夠在流體壓強(qiáng)差改變時(shí)，分別處于管內(nèi)的兩個(gè)穩(wěn)定位置，關(guān)閉或打開(kāi)閥門中流體的流動(dòng)。從而形成僅由流

4、體自身壓強(qiáng)操控的納米流體閥。
　　 三、基于由(20，0)和(5，5)型碳納米管組成的碳納米管分子結(jié)和C60分子，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種用于篩選氫分子的分子篩。C60和管壁之間所形成的通道，是一個(gè)尺寸可變的通道。它能夠使氫分子自由通過(guò)，而阻礙其它氣體分子(氬和氬)的流通。研究表明，篩選的主要機(jī)制在于氫自身以及和其它分子間的弱排斥相互作用以及尺寸可變通道的存在。
　　 四、利用C60和“帽”型碳納米管，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種球閥結(jié)構(gòu)-壓強(qiáng)

5、驅(qū)動(dòng)下用于液態(tài)氣體存儲(chǔ)的閥門。C60和“帽”型碳納米管頂端碳原子間的弱范德華相互作用，就好像“彈簧”一樣牢牢抓住C60，使之在管端的吸附能達(dá)到1eV。通過(guò)球閥周圍或內(nèi)部體積的變化，可以推動(dòng)C60，使其堵住閥門口的液體，阻止已儲(chǔ)存在球閥內(nèi)流體的擴(kuò)散。據(jù)估計(jì)，這樣的球閥結(jié)構(gòu)能承受的內(nèi)壓在40GPa。
　　 五、通過(guò)在碳納米管管端引入具有親水作用的羧基基團(tuán)，并利用管口的親水基團(tuán)吸附一定量的冰，從而實(shí)現(xiàn)封堵管口的作用。這樣一種設(shè)計(jì)也可以