水和離子在納米孔道中的輸運(yùn)行為研究.pdf

1、生物的新陳代謝過(guò)程涉及到許多關(guān)于溶液在納米尺度下的輸運(yùn)現(xiàn)象。比如水孔蛋白中的水輸運(yùn)現(xiàn)象,鉀孔道和鈉孔道中的離子輸運(yùn)等等。針對(duì)這些現(xiàn)象開(kāi)展的基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得了很多豐碩的成果。研究已經(jīng)證實(shí)了這些輸運(yùn)行為與孔道本身存在的殘基和孔道的納米結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。例如:在水孔蛋白中,由于孔道中間存在的窄結(jié)構(gòu)的限制和其本身的殘基迫使水分子只能形成一條一維水鏈通過(guò)孔道。近幾年,生物孔道的這些有趣的輸運(yùn)現(xiàn)象已經(jīng)引起越來(lái)越多學(xué)者地關(guān)注。相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究也

2、在不斷地開(kāi)展中。這其中就有運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)研究復(fù)雜的生物納米孔道中的輸運(yùn)行為。盡管這只是一項(xiàng)基礎(chǔ)的模擬研究,但實(shí)踐證明這項(xiàng)模擬研究已經(jīng)給生物孔道的科學(xué)研究和納米科技的發(fā)展帶來(lái)了很大的指引作用。因此我們認(rèn)為本文所研究的水和離子在納米孔道中的輸運(yùn)行為對(duì)人們認(rèn)識(shí)生命系統(tǒng)中的孔道輸運(yùn)以及納米輸運(yùn)器件的研發(fā)同樣具有重要的意義。
　　 本文的主要工作如下:
　　 基于碳納米管開(kāi)展的各類研究始于上世紀(jì)90年代納米管被發(fā)現(xiàn)以后。盡管

3、碳納米管出世很晚,但是對(duì)于它的發(fā)展卻可以用飛速來(lái)形容。當(dāng)然,這其中也包括了納米管的計(jì)算機(jī)模擬研究。之所以納米管能夠用來(lái)當(dāng)作輸運(yùn)器件主要是因?yàn)榧{米管本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而很多相應(yīng)的輸運(yùn)行為則與生物系統(tǒng)中的孔道有一定的類似。因此它被用來(lái)探索生物孔道中的一些特殊規(guī)律。本文,我們主要是運(yùn)用了兩個(gè)模型來(lái)探究水和離子在納米尺度下的輸運(yùn)行為。
　　 首先,我們已經(jīng)知道生物孔道中的窄結(jié)構(gòu)對(duì)水的輸運(yùn)起到了重要的開(kāi)關(guān)作用。然而這個(gè)現(xiàn)象到現(xiàn)在為止還沒(méi)有被研

4、究者們很好的解釋清楚。因此我們通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)嘗試著做進(jìn)一步的解釋。我們的主要研究方法是通過(guò)給納米管(該納米管模型是直徑為8.1(A),長(zhǎng)為14.8(A)的(6,6)單壁納米管)一個(gè)適當(dāng)?shù)耐饬κ蛊洚a(chǎn)生一個(gè)形變從而形成一個(gè)類似生物管道中的窄結(jié)構(gòu)。從模擬結(jié)果中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)窄結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在納米管的中間區(qū)域時(shí),凈流量是幾個(gè)模擬系統(tǒng)中最大的一種(除去對(duì)照系統(tǒng)即納米管沒(méi)有受到外力的系統(tǒng)),而一旦形變位置移出納米管的中間區(qū)域,相應(yīng)的凈流量就會(huì)發(fā)生不同

5、程度的改變。值得注意的是,隨著形變位置的向外移動(dòng),流量出現(xiàn)不同程度地減小。盡管如此,凈流量并非單調(diào)減小。在距離管口2.5(A)處出現(xiàn)窄結(jié)構(gòu)時(shí)凈流量最小。經(jīng)過(guò)分析,我們發(fā)現(xiàn)流量的變化與水分子在管內(nèi)形成的碳水作用和水水作用有著密切的聯(lián)系。同時(shí),在一定范圍內(nèi),我們發(fā)現(xiàn)凈流量與相互作用能壘幾乎成線性關(guān)系:能壘越高流量就小。這項(xiàng)工作對(duì)于人們研究納米孔道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響也許會(huì)很有幫助。同時(shí)也為人們?cè)O(shè)計(jì)更好的納米輸運(yùn)器件提供了一種思路。