受限于碳纳米管中水分子微观结构的分子动力学模拟研究.pdf

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1、第40卷第6期当代化工Vo1．4O．NO．62011年6月ContemporaryChemicalIndustryJune，2011受限于碳纳米管中水分子微观结构的分子动力学模拟研究刘华，李春艳，陈建超，杨晓峰(中北大学，山西太原030051)摘要：利用分子动力学模拟研究受限于不同管径中水分子的微观结构，改变温度，做出受限水分子的径向分布函数图，并对比说明。通过做水分子在碳纳米管内的均方位移与时间关系图，利用Einstein法算出不同管径中水分子的扩散系数，与利用Knudsen扩散公式计算出的水分子的扩散系数进行比较。关键

2、词：碳纳米管；受限；分子动力学模拟中图分类号：O469文献标识码：A文章编号：1671—0460(2011)06—0625—03MolecularDynamicsStudyonMicroscopicStructureofWaterMoleculesConfinedinCarbonNanotubesLIUHua，LIChun-yan，CHENJian—chao，YANGXiao-feng(NoahUniversityofChina，ShanxiTaiyuan030051，China)Abstract：Moleculardyn

3、amicssimulationwereperformedtostudymicroscopicstructureofwatermoleculesconfinedinthedifierentdiametersofcarbonnanotubes．Changingthetemperature，theradialdistributionfunctiondiagramoftheWatermoleculesconfinedinthecarbonnanotubeswasmade．Bydoingthemeansquaredisplaceme

4、ntversustimegraphofwatermoleculesincarbonnanotubes．diffusioncoef=ficientofwatermoleculesindiferentdiametersofcarbonnanotubeswascalculatedwithEinsteinmethod．anditwascomparedwiththediffusioncoeficientofwatermoleculescalculatedbyKnudsendiffusion．Keywords：CarbonNanotu

5、be；Confined；MolecularDynamicssimulation水是地球表面的热力学条件下唯一自然存在水分子问的相互作用势能用式(1)表示：汽、液、固3种物理状态的化合物，在海洋，物理，r／、12／-、6]化学等诸多领域都会涉及到水的问题Ⅲ。由于水分一I㈩子问存在氢键作用，所以水分子具备很多特性口。式中，等式右边第1项为静电相互作用，第2项采用实验的手段研究水分子的结构和性质是一项非为Lennard-Jones作用，SPC模型假定只有氧原子问常艰巨的工作，通常需要很苛刻的实验条件，而且存在Lennard—Jo

6、nes作用。(ri，r／)为水分子间的相费用昂贵。随着计算机的普及，计算机技术的不断互作用势能，qi代表第i个原子或离子上所有的电荷，提高，利用计算机模拟方法已逐步成为实验研究领为原子或离子i与，间的距离。Lennard-Jones交互域的一种重要研究手段p。今年来对水的结卡勾I『生质作用参数s和采用Lorentz—Berthelot规则计算。模拟较多，但是对水在不用温度条件下的氢键及其本文中水分子的SPC势能模型参数见表1。微观结构的影响的研究很少。本文采用分子动力学(MD)模拟的方法，研究了不同温度下受限于碳纳表1本文

7、模型所用非键势能参数Table1Non—bondpotentialparametersusedinthiswork米管中水分子问氢键的影响及其微观结构的变化。1势能模型水的势能模型可以分为经验势能模型和量子力1学势能模型两类。SPC(simplepointcharge)势能模~／j=fo~io~j)l，l+、J型形式简单，本文中水分子采用SPC势能模型，基金项目：山西省自然科学基金资助项目(2009011001—2)收稿日期：2Ol1—04-07作者简介：刘华(1987一)，女，硕士研究生，主要从事分子动力学模拟的研究，电

8、子邮箱：liuhua8486200@163．c0m。化工20l1年6月2模拟细节位右移。这表明温度升高，0一H间距离增大，水分子间氢键作用不断减弱。本文模拟了矢量参数，m分别为8、10和11的单臂碳纳米管(表2)，其直径根据(2)式计算。：、(2)兀式中，a是C—C键长，为0．142nm。表2单臂碳纳米