水中热噪声的自相关和频谱特性的研究

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1、密级:博士学位论文水中热噪声的自相关和频谱特性的研究作者姓名:朱智指导教师:方海平研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:理学博士学科专业:粒子物理与原子核物理研究所:中国科学院上海应用物理研究所2016年10月TheAutocorrelationandSpectrumCharacteristicofThermalNoiseinWaterByZhiZhuADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDo

2、ctorofParticlePhysicsandNuclearPhysicsShanghaiInstituteofAppliedPhysicsChineseAcademyofSciencesOct,2016摘要设计并制造能够实现特定功能的分子机器是人类的梦想，科研人员一直朝着这个方向不断地努力，近年来，理论工作者设计出了一些能够定向地输运水分子的纳米水泵，这些纳米水泵为人类高效地进行海水淡化带来了无限地遐想。纳米水泵背后的物理机制或许能够很好地通过分子棘轮理论解释，分子棘轮的实现包含两个必要的条件，即合适的不对称体系和色噪声，因此水中热噪声是白噪声还是色噪声对于理解纳米水泵有着的至关

3、重要的作用。传统理论中，热噪声通常被当作白噪声处理，于是非对称系统在没有外部有色涨落输入的情况下不会产生定向运动。基于分子动力学模拟，我们的模拟结果显示水中的热噪声在室温下它的自相关时间长度约为10皮秒，这就表明了与宏观和介观尺度下不同，在分子尺度下热噪声不能再简单地当作白噪声处理。此外，我们的模拟结果表明热噪声的自关联时间长度值不会随着系统的不同热浴耦合方法以及不同的热浴耦合参数的变化而改变，它只与体系的温度相关，因而，热噪声的自相关时间应该是体系内禀的。值得注意的是，水中热噪声的自相关函数与水中氢键的自相关函数很相似，而且，水中热噪声的自相关时间和氢键寿命随着体系温度的变化呈现出

4、相似的变化趋势。由于水分子与周围水分子主要通过氢键相互作用，这就表示了水中热噪声有限长的关联时间可能与水分子与周围水分子所成氢键相关。鉴于水中热噪声不能再简单地当作白噪声处理，于是，我们对不同的溶质分子（包含极性溶质分子和非极性溶质分子）在水中所受到的热噪声进行了频谱分析，研究热噪声的频谱在各个频域范围内具体表现出什么样的颜色特性。频谱分析的结果显示水中热噪声在分子尺度表现出非白噪声的频谱特性，这也说明传统热噪声理论在分子尺度不再适用。此外，对于极性和非极性溶质分子在水中所受到的热噪声，它们的频谱在低频区表现出白噪声的频谱特性，在高频区（频率大于5×1013Hz）类似于红噪声的频谱特

5、性；有趣的是，在中频区（频率从2×1011Hz到1013Hz）,对于极性溶质分子受到的热噪声，它的频谱类似于1/ƒ噪声的频谱特性，然而，对于非极性分子受到的热噪声，它的频谱却轻微地偏离白噪声的频谱特性。通过研究我们发现，这一有趣的现象的产生是因为极性溶质分子能够和溶剂水分子形成氢键，然而非极性分子却不能和溶剂水分子形成氢键。而且，对于极性溶质分子受到的热噪声，它们在中频区的功率谱偏离白噪声频谱的程度与该溶质分子和溶剂水分子所成氢键的平均寿命有关。水中热噪声所具有的10皮秒自关联时间是内禀，这一发现对于我们认识和I理解纳米尺度下很多不对称体系中的粒子定向运动有着重要的意义。此外，因为生

6、物体主要是由极性分子（例如，水分子）组成，它富含氢键，所以极性溶质分子在水中所受到的热噪声，它的频谱在中频域段所表现出的1/ƒ噪声频谱特性，这一发现给我们提供了一个从分子组成的全新角度来理解生物体内1/ƒ噪声的普遍存在性。关键词：分子动力学模拟，热噪声，自关联，氢键，频谱IIABSTRACTItisthedreamforhumanbeingtodesignandproducethemolecularmachinewhichcanachieveaspecificfunction.Researchershavebeenconstantlymadeefforttomakethisdream

7、cometrue.Recentyears,theoreticalworkershavedesignedseveralnanopumpswhichcantransportuni-directionallywatermolecules.Thesepumpsbringinfiniteimaginationinthedesalination.Thephysicalmechanismbehindsthesenanopumpsmaybeinterpretedbythe