非平衡扰动驱动的纳米水泵的研究

摘要

自上世纪90年代以来,纳米科学和技术取得了飞速地发展。目前人们已经能够操纵原子和分子来制作具有特殊功能的纳米机器。纳米泵是在纳米尺度下输送流体的装置,是纳米机器的一种。纳米泵在药物输运、海水淡化、分子提取、纳米推进器和纳米传感器等领域有着广泛的应用前景。近年来,人们利用渗透压、化学梯度、温度梯度等已经设计出了许多纳米泵。但是目前这些纳米泵的运行都需要为其源源不断地输送能源,其流量也不容易控制,还很难形成持续的流。而环境中普遍存在着非平衡涨落(或扰动),根据非平衡涨落理论,纳米泵可以从这些非平衡涨落中提取能量来驱动分子的定向运动。但是到目前为止,有关这方面的研究还比较少。
　　 本文主要通过分子动力学模拟设计并实现了一个用非平衡扰动来驱动的纳米泵,并用非平衡涨落理论研究了甘油通道在周期性外力下定向输运甘油分子的机制。本文的主要内容如下:
　　 第一章主要介绍了纳米技术的背景知识及纳米泵的研究现状,介绍了本文的主要研究方法、研究内容及意义。
　　 第二章主要介绍了分子动力学的基本概念,主要包括分子动力学的简史、基本原理、力场、运动方程的积分、初始条件、边界条件以及分子动力学的计算流程等。
　　 第三章介绍了非平衡涨落理论的背景知识以及空间周期势场中一维布朗粒子的运动。
　　 第四章通过分子动力学方法设计并实现了一个利用不对称的碳纳米管(SWNT)及非平衡扰动来驱动的纳米水泵。该纳米泵可以把电荷振荡的能量转化为水分子的定向运动,流量最大时比细胞膜上的水通道蛋白(AQP-1)还要大。并且可以通过调节电荷的振荡周期、电荷与碳纳米管的距离以及碳纳米管的不对称性等方便的控制流量的大小和方向。
　　 第五章利用非平衡涨落理论研究了甘油通道在周期性外力下定向输运甘油分子的机制。利用Fokker-Planck方程讨论了甘油通道结构中的哪些部分是使它能够在非平衡扰动下定向输运甘油分子的关键。
　　 第六章是总结与展望。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状

1．3 本文的研究方法

1．4 本文研究的主要内容和意义

第2章 分子动力学的基本原理

2．1 分子动力学简史

2．2 分子动力学的基本原理

2．3 势函数与力场

2．3．1 范德华作用能

2．3．2 静电作用能

2．3．3 键伸缩能

2．3．4 键角弯曲势能

2．3．5 二面角扭曲势能

2．3．6 不正常二面角扭曲势能

2．4 运动方程的积分

2．4．1 Verlet算法

2．4．2 Leap-Frog算法

2．4．3 速度Verlet算法

2．5 初始条件

2．6 周期性边界条件

2．7 分子动力学的系综

2．7．1 微正则系综NVE

2．7．2 正则系综NVT

2．7．3 等温等压系综NPT

2．8 分子动力学计算流程

2．9 分子动力学模拟软件GROMACS简介

第3章 非平衡涨落理论

3．1 引言

3．2 棘轮

3．3 一维布朗粒子的运动

第4章 非平衡扰动驱动的纳米泵

4．1 引言

4．2 模拟方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 产生持续流的条件

4．3．2 如何控制定向流

4．4 小结

第5章 周期性外力驱动甘油分子通过膜蛋白孔道的机制研究

5．1 引言

5．2 理论及方法

5．3 结果及讨论

5．4 小结

第六章 总结和展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢

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