水分子与碳纳米材料相互作用的分子模拟研究：端口效应和结构形成

摘要

水在自然界中的意义是不言而喻的，几乎所有的生物都离不开它。水是结构相对简单的一种化合物，但是经过这么多年人类对其的探索与研究仍然无法彻底的了解和掌握水的性质。尤其是水在纳米尺度的受限环境下，如单壁碳纳米管、双层固体板之间、生物蛋白通道等。水分子在这些通道中，与宏观水的体相相比，表现出更加复杂的状态，运动情况也表现出新的行为等等，这些微观的运动行为及潜在的机理引起了人们广泛的兴趣。
　　研究碳纳米管和其他形式的纳米孔通道结构对流体的高通量输送、选择性通过具有重要的实际意义和指导作用。这不仅对气体储存、离子筛分、水净化，药物载送等领域的孔通道开发设计有着不可估量的作用，而且对生物细胞膜的跨膜蛋白输送及机理有着重要的研究价值。但是由于碳纳米管的疏水性以及水分子中强烈的氢键网络结构使得水进入到管内十分困难，在管口处往往存在一个能垒即所谓的端口效应。此外水在受限的空间下，往往表现出异于体相的结构和性质，因此了解水在这些环境中的机制，对发展纳米流体等具有重要的指导意义。
　　本文正是利用分子动力学模拟方法，从分子尺度上研究了水分子在纳米受限尺度下的状态及流动行为，进一步探究其存在的微观机理。具体的研究成果包括如下:
　　1、研究端口效应对水在碳纳米管中流动行为影响的分子动力学模拟。通过基于活塞模型而设计的碳纳米管孔通道，系统的考察了水在碳纳米管中的流动状态;同时探究了外驱动力大小对水进入不同管径的碳纳米管的通量的影响;与宏观得哈根-泊肃叶方程作了对比，水在管径小于0.1nm的碳纳米管中的扩散与传递有一个显著的偏差;把这归因于入口效应和出口效应即存在一定的能垒抑制水进入或者流出碳纳米管。最后，总结了两种不同的流动机制是端口效应和尺寸效应。
　　2、研究水受限于石墨烯-云母之间的状态的分子动力学模拟。与主体相的水相比，受限空间下水则会表现出与众不同的结构和动力学性质。本文则是探究了在不同受限间距下水的流动性及状态，考察了云母中游离态的钾原子的数目对受限的水分子状态的影响。
　　3、石墨烯纳米气泡的形成的分子动力学模拟。由于石墨烯本身的褶皱和弹性(ripple和flexibility)，使得一些气体分子或者液体等进入到其间层形成鼓包即所谓的石墨烯纳米气泡或者叫做水疱(blister)。我们的模拟给出了气体是如何进入到石墨烯间层的机制以及石墨烯层数的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纳米管

1．1．1 碳纳米管的发展史

1．1．2 碳纳米管的结构

1．1．3 碳纳米管的性能

1．1．4 碳纳米管的应用

1．1．5 碳纳米管的制备

1．2 水在碳纳米管中的流动行为

1．3 石墨烯简介

1．3．1 石墨烯的研究历史

1．3．2 石墨烯的分类

1．3．3 石墨烯的制备

1．3．4 石墨烯的用途

1．4 石墨烯在本文中研究的相关应用背景

1．4．1 水在受限环境下的行为

1．4．2 石墨烯纳米气泡的简介

第二章 分子动力学模拟方法简介

2．1 分子势能简介

2．1．1 非键角势能

2．1．2 分子间键势能

2．1．3 常见的力场

2．2 本文所涉及到的分子力场模型

2．2．1 水分子的力场模型

2．2．2 碳纳米管的力场模型

2．2．3 石墨烯的力场模型

2．2．4 云母的力场模型

2．2．5 甲烷的力场模型

2．2．6 氮气的力场模型

2．3 混合规则

2．4 分子动力学模拟的原理简介

2．5 分子模拟中常用的算法

2．5．1 Verlet算法

2．5．2 蛙跳算法

2．5．3 恒温与恒压算法

2．6 系综问题

第三章 端口效应对水在碳纳米管中流动行为的影响的分子动力学模拟

3．1 摘要

3．2 前言

3．3 模拟的模型和方法

3．3．1 模型简介

3．3．2 模拟方法简介

3．4 结果与讨论

3．4．1 水在碳纳米管中的结构

3．4．2 不同外力下水的流动状态

3．4．3 水通过管口的临界压力

3．4．4 不同管径下，水通量随压力的变化

3．4．5 与宏观的H-P方程对比

3．4．6 水在碳纳米管中的扩散机制研究

3．4．7 不同εo-c对端口效应的影响

3．4．8 水分子偶极矩角的变化

3．5 小结

第四章 受限于石墨烯与云母间的水的状态分子动力学模拟

4．1 摘要

4．2 引言

4．3 模型和方法

4．3．1 模型简介

4．3．2 模拟方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 水在不同受限间距下的状态

4．4．2 水的密度分布

4．4．3 水的径向分布函数

4．4．4 水的扩散性

4．5 表面钾原子个数的影响

4．5．1 水在不同钾离子下的状态

4．5．2 钾离子对水的扩散性的影响

4．6 小结

第五章 石墨烯纳米气泡形成的动力学模拟研究

5．1 摘要

5．2 引言

5．3 模拟细节

5．3．1 模型简介

5．3．2 方法和模拟参数的设置

5．4 结果与讨论

5．4．1 石墨烯纳米气泡的形成过程

5．4．2 石墨烯间层气体数目的变化

5．4．3 气体的密度分布

5．4．4 气体的扩散性

5．5 当气体源是N2时

5．5．1 N2进入石墨烯间层的动力学过程

5．5．2 N2的扩散性

5．6 小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者与导师简介