水分子在碳纳米管内的扩散研究

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1、水分子在碳纳米管内的扩散研究赵毛太　李海龙　杨晓峰（中北大学理学院物理系，山西太原030051）【摘　要】本文在不同温度下分别模拟了(8，8)、(9，9)、(10，10)扶手椅型碳纳米管中水的结构和扩散，在300K的(8，8)型碳纳米管中水分子形成了规则的四边形结构，再现了AlbertoStriolo的研究结果。不同管径中水分子的径向分布函数表明，随着管径的增大水分子的受限效应逐渐减弱，水分子平均氢键的数目逐渐增大，从（8，8）管中的平均2.10个氢键到(10，10)管中的2.28。.jyqk、1.220nm、1.356nm，长度均为7.8nm，管

2、内分别放入16个水分子，短程范德华相互作用的截断半径为1.0nm，运用Eann分布获得各分子及原子的初速。因水分子的转动惯量较小会发生高速旋转，积分时间步长取0.5fs，采用较小的时间步长来保证运动方程求解的稳定性，模拟总步数140万步，前40万步使系统达到平衡，后100万步用来统计平均扩散系数，每隔100步保存一个研究体系的构象。２　模拟结果２．１　水分子在纳米碳管内的构型分布图1显示的是本次模拟的结果，观察发现在300K下(8，8)碳纳米管中水分子排列的很紧密，形成了规则的四元环结构，在碳纳米管中沿各个方向观察水分子的分布都很稳定，都呈现规则的

3、四边形结构。这与AlbertoStriolo的模拟结果是一致的。在200K，100K下水分子排列的有序度逐渐降低也没有规则的结构。同时在(9，9)、(10，10)型碳纳米管中水分子排列的都很紧密，但在300k、200k、100k时都没有形成规则的结构，而且水分子分布的有序性也没有随着温度的降低而明显的降低。但是本文的模拟结果却显示随着温度的降低水分子在碳纳米管中的结构越不稳定。这种模拟结果的出现可能是由于受限于碳纳米管中的水呈现与体相水完全不同的特征。水既有类似液相时的分子自由度又有类似固体相下的对称结构。在本次的模拟中只在温度为300K时(8，8

4、)型碳纳米管中看到了规则的四边形结构,而其他科研工的模拟结果却与本次模拟结果相异，且他们的模拟结果也因人而异。R.JayMashl[6]人在温度为300K下分别模拟了水分子在(5，5)、(6，6)、(7，7)、(8，8)、(9，9)、(10，10)(12，12)(16，16)型碳纳米管中水分子的结构分布，模拟结果显示只在（9，9）型碳纳米管中水分子形成了规则的六边形结构，在(8，8)型碳纳米管中没有看到规则的四边形结构。其他的科研人员在温度为300K下分别模拟了水分子在(9，9)、(10，10)、(11，11)、(12，12)、(13，13)、(1

5、4，14)、(16，16)型碳纳米管中水分子的结构分布，模拟结果显示水分在(9，9)、(10，10)型碳纳米管中分别形成了规则的四边形和六边形结构。综合分析以上模拟结果的差异可能是由于科研人员各自所选择的力场参数，模型等的不同而带来的。２．２　碳纳米管中水分子的径向分布函数图2分别代表在不同管径中和不同温度下水分子之间的O-O的径向分布函数图。由图可以看出随着碳纳米管管径的增大，径向分布函数所对应的波峰的峰位几乎不变，但是它所对应的峰值是逐渐增大的。３　结论通过比较不同管径和不同温度下水分子在碳纳米管中的结构，发现在300K下，(8，8)型碳纳米管

6、中形成了规则的四边形结构，在温度低于和高于300K时水分子排列的有序度都降低且没有规则的结构。在(9，9)、(10，10)的碳纳米管中温度为100K，200K和300K时都没有规则的结构，且水分子排列的有序程度随着温度的升高有所降低。随着碳纳米管管径的增大，径向分布函数所对应的波峰的峰位几乎不变，但是它所对应的峰值是逐渐增大的。所以当增大碳纳米管的管径时，水分子位置的分布会更加随机，即水分子的受限效应会减弱，此时大部分的水分子会分布在碳纳米管的管壁附近。.jyqkicalpersperctivesIPNSResearchProposal[Z].［２

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