液体水银在碳纳米管中的浸润及传输现象研究.doc

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1、液体水银在碳纳米管中的浸润及传输现象研究张忠强张洪武大连理工大学工程力学系，工业装备结构分析国家重点实验室E-mail：张洪武：zhanghw@dlut.edu.cn，张忠强：zhangzq@student.dlut.edu.cn摘要：碳纳米管在纳米技术中有一个很重要的应用，就是它可以作为纳米管道传输液体。本文用分子动力学模拟方法，对碳纳米管在液体水银中由于压力作用和电场作用下的浸润以及传输现象进行了研究。压力作用下的浸润及传输现象研究结果表明，当液体水银的内部压强超过一个临界值时，液体水银能够浸入到

2、碳纳米管内部，而这个压强的临界值随碳纳米管尺寸的增加而减小；不断增大液体内部的压强，碳纳米管可以连续地传输液体。对于电场作用下的浸润及传输现象研究，是建立在单壁碳纳米管电浸润现象原子模拟的基础上对双壁碳纳米管的电浸润现象进行了分子动力学模拟。模拟结果表明，对双壁碳纳米管的内管施加电压，没有浸润现象发生；而对外管施加电压时，液体水银能够进入到内管的内部空腔，但外管和外管之间的空腔部分仍然没有浸润现象发生。当改变双壁碳管中内管的尺寸时，液体水银在双壁碳纳米管中的传输效率会产生较大的影响。关键词：碳纳米管，

3、流体传输，分子动力学1.引言自从1993年发现单壁碳纳米管以来[1-3]，这种新材料在纳米技术应用领域中的巨大潜能不断在实验中得到证实[4-8]。近年来，随着人们对更快、更小、更精确的生物分析设备的兴趣与日俱增，纳米流体系统备受关注[9-12]。然而，仍然需要对碳纳米管的电渗透传输过程有一个更为详细的理解，以推动用于电渗透传输的纳米流体系统的研究和应用。纳米管的内部空心部分为纳米管道内的液体流动研究[13]和胶囊状纳米纤维的电磁性态研究[14,15]提供了机会。填充的碳纳米管比空心的碳纳米管有更好的稳

4、定性，并且可以通过它们不同的物理化学特性来区分它们。碳纳米管的分子吸附可以受到外部电压的影响，因此，纳米管也可以用来制作纳米容器。同时，碳层还可以去除，只保留由填充材料组成的纳米纤维。这样，就可以合成具有新颖的电、光、磁和超导特性的纳米纤维。在研发这些新颖应用的过程中，化学和物理过程是非常关键的[16]。这些应用需要在对纳米管的流体浸润行为进一步研究的基础上进行改进。众所周知，当液体的表面张力足够低（液体的表面张力低于浸润的允许值）时，碳纳米管在毛细力的作用下可以被液体填充[14]。当液体的表面张力大

5、于180mN/m时，碳纳米管不能被浸润[17]。也就是说纳米管的浸润仅限于表面张力较低的液体，这就依赖于液体本身的物理属性。为了使表面张力较大的液体能够浸润到碳纳米管中，可以采用施加外部电压以降低表面张力的方法。此外，给液体施加外部压力也可以使其浸入到纳米管内部。所以，有两种方法可以使具有较高表面张力的液体浸入到碳纳米管的内部：（1）对液体施加足够大的外部压力[18]；（2）施加外部电压以减小液体本身的表面张力[19]。在本文中，我们对这两种方法分别进行了计算机模拟。利用经典分子动力学模拟和一个宏观的

6、电毛细管模型，Kutana和Giapis完成了单壁碳纳米管在水银中电浸润现象的原子模拟[20]。该研究用来解释他们的实验结果[21]，即附在探针尖上的金涂层被溶解掉，而在从水银液滴中取出的纳米管内部却找不到水银原子。模拟结果表明电毛细管现象可以产生一个很大的驱动力，从而使碳纳米管内部得到浸润。同样是利用分子动力学方法，曹炳阳[22]等研究了液态氩在铂纳米通道内的流动，获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象，结果显示通道的亲水性或疏水性对液体的传输性质会有重要影响。本文使用分子动力学模拟方法，

7、分别对碳纳米管在液体水银中的电浸润现象和液体水银由于压力作用在碳纳米管中传输的现象进行了研究。前者是在Kutana和Giapis提出的单壁碳纳米管电浸润模型的基础上，对双壁碳纳米管的电浸润现象的模拟；后者则结合一个压力控制模型，对液体水银在碳纳米管中的传输过程进行模拟，获得了一批有意义的结果，为纳米管内液体压力输运模型的建立提供了理论依据。2.模拟与结果2.1.碳纳米管的电浸润模拟及结果碳原子之间的相互作用考虑与否对模拟结果的影响很小。因此，为了提高计算效率，我们在模拟中忽略了管壁上碳碳间相互作用，而

8、把碳纳米管看作刚性管。水银原子之间的相互作用势函数采用abinitioSchwerdtfeger水银势，而水银原子和碳原子之间的相互作用采用LJ势来描述[20]。采用Lippmann模型对碳纳米管施加电压[23，24]。整个模拟体系包含17280个水银原子，尺寸为65.82Å×65.82Å×82.27Å，在x和y两个方向上施加周期性边界条件，碳原子数随不同碳纳米管的几何尺寸而定。在z方向上最底一层的水银原子被固定。时间步长取0.001ps。开始时，水银液