受限于纳米碳管中水的分子动力学模拟

摘要

自1991年Iijima博士发现纳米碳管以来，纳米碳管以其独特的电学和力学性能成为微观物理研究中最具吸引力的领域。纳米碳管作为一维管状分子，通常认为由石墨片卷曲而成，独特的结构使其具有极高的表面积，从而表现出极强的吸附性能；同时其管状空腔具有较大的容积，可作分子储备介质。这些特点与复杂的生命蛋白质离子通道有着相似之处，作为一种研究生物化学反应的基本模型，纳米碳管中的生命分子和溶液的传输是揭示众多未知生命现象的重要途径。而研究表明水分子对于维持生物细胞的输运畅通与电化学势平衡发挥着至关重要的作用。所以在研究碳管吸附与运输现象中，水的作用人们最关注。 分子动力学模拟是化工、材料、地质和生物研究中的一种现代研究方法。采用它来研究纳米碳管中受限溶液的微观特性对建立合理的离子通道中受限分子传递机理的模型具有重要意义。本文用分子动力学模拟对受限于纳米碳管中水分子的静态结构及动态性质进行研究，通过模拟结果可以发现受限水分子有明显区别于大块冰的性质。 首先对分子模拟的起源、发展及实际应用中的关键问题作了简要的论述。对现有的分子动力学模拟方法，原子、分子体系运动方程的解法，位能及其选择方法，初始构型的搭建，模拟结果的处理和分析，纳米碳管的结构和性能等作了较全面的论述。 对具有类似管径的armchair和zigzag型碳管在水浴中的静态性质进行了MD模拟研究。结果发现静态性质主要受管径而非螺旋性的影响，进一步又对碳管中水分子的动态性质作了定量分析。采用300K，1..0×10<'5>Pa的NPT系综，分别对不同直径的armchair型和zigzag型碳管中水分子进行了模拟，结果显示管径与螺旋性对受限水的动态性质均有不同程度的影响。受限在armchair型碳管中水分子的运动要比在zigzag碳管中的更激烈、更迅速一些。而管径对水分子的动态性质的影响表现为：碳管管径越大，水分子的运动快，但是在较小的管子(5，5)(6，6)中，虽然后者管径比前者大，但是管中水分子的运动却比(6，6)的快，有人提出这是与管中的平均氢键数有关，即在较小的管中，平均氢键数越少，水分子运动的越快。 最后，在1.01×10<'5>Pa的NPV系综下，采用从300K逐渐降温至190K(或150K)的方法，对受限于不同直径(11.001A-13.751A)armchair型纳米碳管中的水分子进行了模拟，结果显示不同直径碳管中的水分子会发生无序到有序的相变，并且分别形成不同于大块冰的稳定结构。同时计算了不同温度水分子的偶极矩角度分布函数，通过描述水分子偶极矩与半径的夹角分布，可以了解水分子的排布是否有序。模拟所得结构图与角度分布函数，两者共同显示不同碳管中相变之后水分子有序的稳定结构，并且显示了不同碳管中水分子的相变温度不同，其相变温度随着管径的增加而降低。

目录

文摘

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0前言

1计算机模拟

1.1蒙特卡洛模拟方法

1.2分子动力学模拟方法

1.2.1分子动力学模拟的发展历史

1.2.2分子动力学模拟的基本原理

1.2.3分子动力学模拟的基本过程与步骤

1.2.4平衡态分子动力学模拟

1.2.5分子动力学模拟的关键问题

2纳米碳管简介

2.1纳米碳管的分类

2.2纳米碳管的结构

2.3纳米碳管的性质

2.4纳米碳管的应用

3受限于纳米碳管中水的分子动力学模拟

3.1受限水研究回顾

3.2受限于纳米碳管中水的分子动力学模拟

3.2.1受限水静态性质的分子动力学模拟

3.2.2受限水的动态性质

4受限于纳米碳管中水的相变

4.1引言

4.2研究方法

4.3模拟的结果与分析

4.3.1受限水分子的静态结构

4.3.2受限水分子的径向分布

4.3.3受限水分子的偶极矩角度分布

5.全文总结与展望

参考文献

致谢

作者论文发表情况