水分子通过形变碳纳米管的运输行为分析.docx
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1、水分子通过形变碳纳米管的运输行为分析水是地球上最常见的物质之一,也是生物体的最重要的组成部分,同时水在生命活动中起到重要的作用,在这些活动中涉及到水通道蛋白。 由于碳纳米管具有独特的结构和奇特的性质1,故许多学者2 -4将其作为水通道的简化模型加以研究。Hummer 等人5在 2001 年采用分子动力学模拟的方法,发现水分子不仅可以在单壁碳纳米管中运输,而且会加快其运输速度。 一部分研究人员发现如果把碳纳米管口作部分扭曲后,能很大地加快水分子通过碳纳米管的速率。 2007 年李敬源等人6将电荷放置于碳纳米管之外,研究了外加电荷对管内水分子的影响,观察到了电荷对于水分子运输的开关方面非常灵敏。
2、此后,大量的学者7 -9在这些重大成果启发之下,对水在碳纳米管中动力学性质作了许多研究。 如周毅7在碳纳米管中水的行为的分子动力学模拟中讲述: 在纳米尺度下的受限空间中,水分子所表现的行为与宏观中截然不同。 何俊霞等人8通过改变形变位置探究纳米通道中的窄结构对水输运产生的开关特性。由于碳纳米管生长和合成实验中10,总有一些拉伸或压缩的形变碳纳米管存在,但形变碳纳米管内水分子的运输特性未见到相关报道。 故本文运用分子动力学的方法研究碳纳米管拉伸或压缩时其形变程度对其内部水的运输行为影响。 即选择手性矢量( 7,7) 和( 8,8) 2 种碳纳米管,拉伸或压缩量 k 分别为: 0. 5,0. 6,
3、0. 8,1. 0,1. 2,1. 5,1. 8 倍的碳纳米管进行模拟计算,进而分析形变碳纳米管中水分子的流量、偶极矩概率分布、轴向分布以及径向分布。1 研究模型与方法本文采用分子动力学软件 NAMD 和 CHARMM力场文件。 研究模型如图1 所示,它主要由 1 个形变的单壁碳纳米管和 2 个石墨烯层构成,并且 2 个石墨烯成处于碳纳米管的 2 个端口处,在石墨烯层外同时添加 2 个 TIP3P 水体,其大小为 1. 5 nm ×1. 5 nm × 1. 5 nm,其中形变碳纳米管由 NanotubeModeler 软件生成,其原长为 6. 05 nm.模拟时,设定温
4、度为 300 K,并采用 Berenden方法进行控温,截断半径为 1. 2 nm,利用 Particle -Mesh - Ewald 的方法计算系统的静电相互作用,网格划分精度设置为 0. 1 nm,当超过 1 nm 时采用过渡函数修正计算,采用周期性边界条件其大小为1. 5 nm × 1. 5 nm × 9. 2 nm,模拟步长 2 fs,模拟时长均为 10 ns. 为解决错误结构的影响本文执行10 000步的能量最小化处理,同时为了减少运算量和简化模拟体系,将碳纳米管和石墨烯层进行固定。 为使水分子通过碳纳米管,本文沿 z 轴正方向施加 0. 5 v/nm 的电场
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