水在不同形变纳米通道中的输运行为

论文摘要

水在纳米受限空间中的输运性质与生物的新陈代谢过程以及许多物理、化学等领域中的许多关键问题密切相关。理解水在不同结构的纳米通道中的输运行为是至关重要的,近年来纳米通道的这一特性成为众多领域研究的热点。我们知道受限的水分子与bulk水中水分子的行为是不同的,受限空间的尺度、结构及材料特性严重影响着水动力学过程。比如：在水通道蛋白中,由于通道中间存在着窄结构的限制以及其自身的残基的作用,促使水分子只能形成一条一维水链通过蛋白通道。探索不同结构的纳米通道中水的输运行为,有助于人们深入认识水在受限空间的输运特征和动力学规律。因此,本文所研究的水在不同形状中的纳米通道中的输运行为,对纳米输运器件的研发具有重要的物理意义。虽然碳纳米管的发现比较晚,但是它的发展却是非常迅速的。从上世纪90年代碳纳米管被发现以后,它便被运用于各种科学研究领域中,这其中也包括纳米管的计算机模拟研究。由于碳纳米管本身的结构简单,而且很多相应的输运行为又与生物系统中的孔道有一些类似,所以了解并控制水在碳纳米管内的输运对于纳米通道和生物活性的研究是至关重要的。我们知道,改变纳米通道的半径或者纳米通道和水之间的相互作用,将会引起纳米通道内的汽液相变和开关状态的转换。这里我们通过改变碳纳米管的形变位置来探究纳米通道中的窄结构对水输运产生的开关特性。本文通过分子动力学摸拟（molecular dynamics simulation, MD）的方法,以水和碳纳米管为重点研究对象,分析了水分子在不同形变的碳纳米管内的输运行为,预测了加大形变碳纳米管尺度后水分子在碳纳米管中的输运机制,主要内容如下：首先,在受限尺度中,我们还不清楚是否水分子比起发散方向更容易通过收敛的方向,或者比起漏斗形,水分子更容易通过沙漏型的碳纳米管。这里,我们通过改变碳纳米管的形状来探究这些问题。模拟结果显示当形变位置沿碳纳米管从中心向两端发生移动时,水通过纳米管的流量发生了相应的变化。与宏观角度所不同的是,我们发现了水流量的不对称性（与发散型相比,水更容易通过收敛型的碳纳米管）,这对研究纳米水泵中的类棘轮机制有着关键的作用。我们用Fokker-Planck方程分析并计算了水在不同形变碳纳米管中的流量,发现与模拟结果十分近似。此外,模拟结果显示,随着碳纳米管的加粗,相同比例形变的碳纳米管对水的渗透影响逐渐减弱。模拟结果有利于对控制水输运,碳纳米管中过滤器的研究,并可以使我们进一步深入了解生物通道的工作机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 模拟的主要内容
• 1.3 模拟方法
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 分子动力学模拟简介
• 2.1 分子动力学的历史背景
• 2.2 分子动力学的优缺点
• 2.3 分子动力学模拟的基本原理
• 2.3.1 牛顿运动方程
• 2.3.2 分子间的相互作用势
• 2.3.3 分子动力学中的原胞
• 2.3.4 分子动力学中的周期性边界条件
• 2.3.5 分子动力学模拟的算法
• 2.3.6 分子动力学模拟的基本步骤
• 2.4 分子动力学模拟的系综
• 2.4.1 系综定义
• 2.4.2 微正则（micro-canonical ensemble）
• 2.4.3 正则（canonical ensemble）
• 2.4.4 巨正则（grand canonical ensemble）
• 2.4.5 等温等压（constant-pressure,constant-temperature）
• 2.4.6 等压等焓（contant-pressure,constant-enthalpy）
• 第三章 Fokker-Planck方程
• 3.1 引言
• 3.2 Fokker-Planck方程
• 第四章 纳米管的形变位置对水输运的影响
• 4.1 引言
• 4.2 模拟方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 研究结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢