荷載呼吸振動(dòng)模式和太赫茲場(chǎng)中的碳納米管水通道性質(zhì)的研究.pdf

1、納米受限空間的水表現(xiàn)出與宏觀(guān)體相水(Bulk water)不一樣的構(gòu)型和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，近年來(lái)已引起人們的廣泛關(guān)注。其中水在納米通道中的輸運(yùn)性質(zhì)，對(duì)生命科學(xué)、物理化學(xué)、納米流體器件領(lǐng)域的發(fā)展都顯得特別重要。因?yàn)橄穹肿雍Y、分子水泵、納米傳感器、反滲透膜脫鹽裝置、生物膜蛋白通道中水與離子的輸運(yùn)等，都與水在納米通道中的輸運(yùn)行為密切相關(guān)。以往的研究表明，水在適當(dāng)孔徑的納米通道中，以單分子鏈的形式有序排列，它們通過(guò)氫鍵網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，做協(xié)調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)

2、。雖然目前已經(jīng)存在大量的納米水通道方面研究，但它們主要是考慮平均場(chǎng)的變化對(duì)水輸運(yùn)性質(zhì)的影響，多體剩余相互作用和相應(yīng)的集體運(yùn)動(dòng)模式并沒(méi)有受到人們足夠的重視。特別是，由于氫鍵的鏈接，構(gòu)成這種有序鏈狀結(jié)構(gòu)的水分子具有一定的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，與此相關(guān)的集體運(yùn)動(dòng)模式并沒(méi)有得到應(yīng)有的關(guān)注。我們研究表明，外場(chǎng)誘導(dǎo)的集體激發(fā)可能會(huì)引起它們的共振，水分子在共振中能獲取較大能量擺脫氫鍵的束縛，從而會(huì)使相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生顯著的變化。極性水分子能響應(yīng)外界的機(jī)械振動(dòng)

3、和電磁擾動(dòng)，從這一點(diǎn)出發(fā)，本論文集中研究了碳納米管的呼吸振動(dòng)和太赫茲電場(chǎng)對(duì)水輸運(yùn)性質(zhì)的影響。
　　首先，我們利用分子動(dòng)力學(xué)方法(Molecular Dynamics Simulations)研究了荷載呼吸模式的(6，6)單壁碳納米管(SWCNT)對(duì)其中水分子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響。我們采用對(duì)碳納米管上的所有碳原子施加相同的周期外力的手段，模擬其呼吸模式。碳納米管和水之間通過(guò)范德瓦爾斯相互作用傳遞能量。研究結(jié)果表明，當(dāng)呼吸模態(tài)的頻率處在3

4、～15 THz范圍內(nèi)，碳納米管內(nèi)水水之間的氫鍵被頻繁打斷，碳納米管內(nèi)水分子平均占有數(shù)明顯減少，水的凈流量(flux)顯著提高（峰值是遠(yuǎn)離這個(gè)頻率范圍的3倍左右）。然而，當(dāng)呼吸頻率遠(yuǎn)離這個(gè)范圍時(shí)，水的輸運(yùn)性質(zhì)幾乎不受任何影響。碳納米管內(nèi)的水分子鏈可以抽象為諧振子模型，經(jīng)過(guò)估算得到其固有頻率處在4.8～14.5 THz范圍內(nèi)。這個(gè)范圍很好的對(duì)應(yīng)了大流量所在的頻率區(qū)間。這些現(xiàn)象說(shuō)明了碳納米管內(nèi)的水與荷載呼吸模式的碳納米管之間是一種共振響應(yīng)。我

5、們對(duì)不同長(zhǎng)度和管徑的碳管以及不同的滲透壓都做了模擬，發(fā)現(xiàn)共振機(jī)制具有普適性。另外，研究表明(6，6)單壁碳納米管的呼吸頻率也處在這共振頻率范圍內(nèi)，這是將來(lái)實(shí)際應(yīng)用的有利條件。
　　接著，我們又研究了太赫茲(THz)電場(chǎng)對(duì)納米通道中水的輸運(yùn)性質(zhì)的影響。在模擬中，我們先是對(duì)系統(tǒng)施加了不同頻率、沿垂直于碳納米管軸方向的交變電場(chǎng)。水分子是極性分子，在交變電場(chǎng)中必然會(huì)受到電力矩的作用。研究結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)施加的太赫茲電場(chǎng)頻率在4～24 T

6、Hz范圍內(nèi)時(shí)，碳納米管內(nèi)的水分子與電場(chǎng)有很強(qiáng)的耦合作用，這導(dǎo)致水鏈被頻繁的打斷，管內(nèi)水分子的平均占有數(shù)明顯降低，凈流量顯著提高。當(dāng)頻率低于這個(gè)范圍時(shí)，所加的交變電場(chǎng)相似于垂直于碳納米管軸向方向的靜電場(chǎng)，這導(dǎo)致凈流量急劇下降，在頻率減小到0.01 THz左右時(shí)，水分子幾乎很難穿過(guò)碳納米管道;當(dāng)頻率在這個(gè)范圍之上時(shí)，凈流量也會(huì)急劇下降，當(dāng)頻率增大到約40 THz以上時(shí)，電場(chǎng)對(duì)碳納米管里的水分子的影響可以忽略，水的輸運(yùn)性質(zhì)幾乎不變化。同樣地，

7、利用諧振子模型，我們估算出水鏈的內(nèi)稟振動(dòng)頻率處在約4～14THz范圍內(nèi)。然而，除了振動(dòng)之外，太赫茲電場(chǎng)還能使水分子產(chǎn)生直接的轉(zhuǎn)動(dòng)。我們估算出固有轉(zhuǎn)動(dòng)頻率大概在14～24 THz范圍內(nèi)。結(jié)合這兩個(gè)共振頻率范圍，我們可以看出上述模擬得到的大流量對(duì)應(yīng)的頻率區(qū)間與碳納米管中的水分子固有頻率區(qū)間基本一致。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了碳納米管內(nèi)的水能夠與所加的太赫茲電場(chǎng)之間形成共振響應(yīng)，水分子在共振中獲取足夠的能量，掙脫氫鍵的束縛，帶來(lái)相應(yīng)的輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生顯著的變