电场对高压下受限水结构相变影响的研究

摘要

限制在纳米尺度通道的水在外电场下有许多有趣的特性，并在生物科学学和工程设计上有着非常重要的应用。虽然许多学者对碳纳米管中形成冰管结构的研究领域做出了很多努力，但电场对高压下受限水的相变影响的研究还很不足。利用分子动力学模拟，我们以二端开口的(15，3)碳管置于水浴为模型，计算研究了轴向电场对压强为1GPa和10GPa条件下碳管内部与外围水分子结构相变的特性，获得了一些有意义的结论，具体有:
　　(1)管内水分子可形成(7，0)、(7，0)+1D与(7，3)+1L3种冰管结构，其中(7，0)+1D结构是我们发现的一种新的冰相。
　　(2)对(15，3)碳管这样的管内空间，增加压强只能使管内水分子结构由(6，0)管向半径更大的(7，0)管转化，单纯提高压强不能使冰管内产生水链，必需有轴向电场的共同作用，且冰管半径大于等于(7，0)管半径是管内出现水链的前提条件。
　　(3)管内水分子发生固-液相变时，电极化有序度增大，结构有序度降低，电极化有序不利于水分子结构有序性的形成，这或许就是高轴向电场下，固-液相变温度必定升高的根本原因，因为只有足够高的温度才能降低电极化有序而使结构有序得以提升。
　　(4)对管内受限水分子，随压强和轴向电场的不同，固液相变可以是结构一级相变也可以是连续相变，增大压强趋于使水分子结构发生连续相变的同时也会提高固-液转变温度;相对于提高压强，施以轴向电场对提高碳管内水分子固-液转变温度更为有效。
　　(5）管外邻近区域水分子在E=2.0 V/nm，压强为1GPa、10GPa时，出现两种明显的结构，其冰相结构沿轴向观察分别具有ABCD和ABC排布特征，其中ABC堆积所对应的液固相变是一级相变，ABCD堆积对应的则是连续相变。
　　(6)管外邻近区域水分子的固液相变可以是连续相变或一级相变，与管内情况不同，由于空间非受限，管外水分子的结构有序和电极化有序没有相互排他性，其冰相的结构有序度和电极化有序度均高于其液相值，轴向电场对固液相变温度几乎没有影响。

目录

声明

摘要

第一章 引言

参考文献

第二章 分子动力学理论基础

2．1 分子动力学简介

2．1．1 分子动力学的基本思想

2．1．2 分子动力学的基本运算步骤

2．1．3 分子模拟软件介绍

2．2 牛顿运动方程的积分算法

2．2．1 Verlet算法

2．2．2 leap-frog算法

2．2．3 velocity-Verfet算法

2．3 分子力场

2．4 热力学系综

2．4．1 NVT系综

2．4．2 NPT系综

2．5 温度与压强调节

2．5．1 控温方法

2．5．2 控压方法

2．6 截断半径

2．7 周期性边界条件与最近镜像

2．8 水分子模型

参考文献

第三章 电场对高压下受限水结构相变影响的研究

3．1 模型与计算方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 碳管中水的冰态结构

3．2．2 受限水分子势能变化

3．2．3 受限水分子径向密度分布变化

3．2．4 受限水分子均方位移MSD及扩散系数DL

3．2．5 碳管外水的结构

3．2．6 管外水分子势能与偶极矩分布

3．2．7 管外水分子径向密度分布变化

3．3 本章小结

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢