碳纳米管中水的行为的分子动力学模拟

摘要

水是与生命现象息息相关的物质之一，对生物体而言，体内的水运输对生物的很多生理活动都有重要的意义。在这些活动过程中都涉及到一个非常重要的蛋白质，就是水通道蛋白，通过它可以调节细胞内外的渗透压，在这种通道中水分子呈现一维水链的排布。而在半径取得合适的碳纳米管中，我们也可以发现这种一维水分子链的结构，还因为碳纳米管的简单、稳定的结构，使得碳纳米管可以作为研究水通道蛋白中水运输的简化模型。
　　 水在碳纳米管中的行为的研究对于生物体系中的水的运输有非常重要的意义。生物体中的水通道的构造远比碳纳米管这种水通道复杂的多，而电荷在纳米通道、生理溶液和生物膜蛋白中必不可少，因此通过给碳纳米管引入电荷来模拟更真实的生物体中的水通道就非常有必要。虽然许多学者对此领域做了大量的研究，但目前为止，在实验和模拟方面还没有学者研究过电荷电量大小对碳纳米管中水分子行为的影响。本文以引入电荷的碳纳米管为模型，用分子动力学的模拟方法研究了电荷电量的大小对碳纳米管中水分子的排布和输运的影响。
　　 通过我们的模拟研究发现，水分子在碳纳米的管的运输对于电荷电量的变化非常敏感，随着电荷电量的增大，水分子在管中的流动性下降，当电荷的电量大于等于0.6e时，水在碳纳米管中的流动可以忽略不计，碳管已经完全封闭了，而这种封闭的现象与水分子在管中的结构是息息相关的，水分子在管中的流动完全被截断的时候，就是水分子在碳纳米管中形成完全稳定的双偶极取向的结构。