探索纳米碳管中受限流体的分子动力学模拟

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1、南京工业大学硕士学位论文纳米碳管中受限流体的分子动力学模拟姓名：王俊申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：陆小华20040501南京工业大学硕士学位论文摘要f／分子动力学模拟(MD)是化工、材料和生物研究中的‘种现代研究方法。采用它来研究纳米碳管中受限流体的微观结构和传递性质对建立合理的离子通道中受限分子传递机理的模型具有重要意义。离子通道控制着水分子、离子进出细胞膜的过程，因而成为生命科学中最重要的研究对象之。。然而，各种离子通道均是由各种形状功能不同的氨基酸序列构成的，而且表面的电荷分布又极不均匀，

2、因此不易直接建立真实的分子模型进行模拟研究。其实，无论通道的结构有多复杂，它们都遵循同样的特征：跨越细胞膜的长度约为1nm、直径_

3、够进入某种碳管?与选刚的力场有关还是碳管的本性?决定碳篱性质的关键参数管径和螺旋性对受限水的静态和动态行为会产生什么影l响?这‘系列的不确定因素是将碳管设计成分子通道过程t}J必不可少的研究内容。犀文利用现代的MD模拟技术对分子力场、管径和螺旋性对纳米碳管中受限水的静态和动态性质的影响做了全面细致的分析。对分子模拟的起源、发展及实际应刖一11的关键问题作了简要的论述。对现有的MD算法，原子、分子体系运动方程的解法，位能及其选择方法，初始构型的搭建，模拟结果的处理和分析，纳米碳管的结构和性能等作了较全面的论述

4、。采用新一代普遍化力场COMPASS对受限在(6，6)和(10，0)碳管中的水分子的静态性质和传递特征进行了MD模拟。验证了力场并不改变水分子进入(6，6)碳管的这一本性并发现管径和螺旋性可能会造成受限水性质的不同。对具有类似管径的多对armchair和zigzag型碳管在水浴-fl的静态性质进行了MD模拟研究。结果发现静态性质主要受管径而非螺旋性的影响，这也意味着以碳管为原型进行相似受限孔道的研究具有一定的可行性。受限水分子的氢键网络相x手手主体水而言都有不同程度的破坏，在较大的碳管中平均氢键数变得与管摘

5、要径无关，说明特殊的受限效应只在直径～lnm的孔道内才会明显地表现出来。平均氢键数的大幅降低对受限水的动态性质可能带来较大的影响。该部分T作在英国皇家化学会的《PCCP))上发表之后立即引起国际同行的广泛关注，鉴于审稿人对该项_【作的高度评价该文被推荐成为《PCCP))的“Hotarticle”，该文在该期刊的当月下载排名统计中位居前三名。进一步对管径和螺旋性给受限水的动态性质带来的影响做了初步分析。定性的结论是管径和螺旋性对受限水的动态性质均有不同程度的影响。受限在armchair型碳管中水分子的运动要比

6、在zigzag碳管中的更激烈、更快一些。在较大的碳管中管径对受限水的运动起主导作用，即管径越大，运动越快；在较小的碳管中平均氢键数决定受限水运动的快慢，即平均氢键数越小，运动越快。水分子运动得越快并不意味着通过碳管的传递速率就越快，水分子是否能在碳管内发生完美的传递可能由其他的未知因素所决定。动态性质的定量分析需要纳秒级的统计机时。关键词：分子动力学纳米碳管受限流体离子通道水II南京工业走学砸士学位论文ABSTRACTMolecularDynamics(MD)simulationisamodernresea

7、rchmethodwithapplicationsinChemicalEngineering，MaterialsDesigningandBiologicalScience．Ithasgreatsignificancetostudymicrostructuresandtransportpropertiesofconfinedfluidswithincarbonnanotubes(CNTs)bymeansofMDforestablishingthereasonableconductionmechanismmod

8、elofconfinedmoleculeswithinionchannels．IonchannelscontrollingthetransportofionsandassociatedwatermoleculesintoandoutofcellshavebecomeoneofthemostimportantresearchobjectsinBiologicalScience．Nevertheless，ioncha