形變碳納米管中水的輸運(yùn)行為研究

余幼勝, 岳 莉, 張泓筠, 尹海峰, 曾凡菊, 張 頌

(凱里學(xué)院物理與電子工程學(xué)院， 凱里 556011)

形變碳納米管中水的輸運(yùn)行為研究

余幼勝, 岳 莉, 張泓筠, 尹海峰, 曾凡菊, 張 頌

(凱里學(xué)院物理與電子工程學(xué)院， 凱里 556011)

水分子通過碳納米管的運(yùn)輸行為對(duì)認(rèn)識(shí)生命的新陳代謝活動(dòng)、海水淡化和納米運(yùn)輸器件有著重要的參考作用. 本文通過分子動(dòng)力學(xué)的方法研究了水分子通過形變碳納米管的運(yùn)輸行為, 即橢圓柱狀碳納米管的離心率e對(duì)管內(nèi)水分子輸運(yùn)的影響. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)橢圓柱狀碳納米管的離心率對(duì)管內(nèi)水分子的偶極矩概率分布、徑向函數(shù)分布和流量有重要的影響作用. 分析認(rèn)為碳納米管的形變使管內(nèi)水分子的偶極矩態(tài)及其運(yùn)輸狀態(tài)發(fā)生變化; 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)通過改變碳納米管的形狀能起到分子開關(guān)的作用.

碳納米管; 水分子; 運(yùn)輸行為; 形變

1 引 言

水是生命之源, 也是維持生命的重要物質(zhì). 對(duì)生物體而言, 體內(nèi)水的運(yùn)輸對(duì)生物的很多活動(dòng)有著重要的作用, 在這些活動(dòng)中都涉及到水通道蛋白. 由于碳納米管具有簡單、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu), 故有學(xué)者[1]利用它作為水通道蛋白的簡化模型來研究水的運(yùn)輸行為, 結(jié)果表明管內(nèi)水分子具有特殊的運(yùn)輸行為. 2001年Hummer等人[2]利用分子動(dòng)力學(xué)的方法研究了水在(6,6)型碳納米管內(nèi)的運(yùn)輸行為, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳納米管內(nèi)水分子運(yùn)輸時(shí)形成一維水分子鏈. 目前, 國內(nèi)外的研究主要集中在兩方面, 一是通過對(duì)碳納米管進(jìn)行修飾的方法探究水分子的運(yùn)輸行為, 如李敬源等人[3]將電荷置于碳納米管之外, 探究電荷與碳納米管間的距離對(duì)管內(nèi)水分子的影響, 發(fā)現(xiàn)水分子運(yùn)輸和電荷與碳納米管間的距離有著緊密的聯(lián)系; 周毅等人[4]同樣通過電荷外置的方法研究了電荷的大小對(duì)水分子流量的影響. 另一是通過改變碳納米管結(jié)構(gòu)的方法來認(rèn)識(shí)水分子運(yùn)輸, 如王俊等人[5]利用分子動(dòng)力學(xué)的方法系統(tǒng)的研究了管徑和手性矢量對(duì)管內(nèi)水分子的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為; W. D. Nicholl等人[6]利用分子動(dòng)力學(xué)的方法研究了碳納米管的長度對(duì)管內(nèi)水分子的流量的影響; L. B. da Silva[7]和袁虹君等人[8]分別研究了不同直徑的扶手型碳納米管對(duì)管內(nèi)水分子結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸特性的影響. 徐葵[9]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法探究了形變碳納米管的管徑對(duì)管內(nèi)流體的影響. S. Wang等人[10]通過模擬的方法研究了彎曲碳納米管的彎曲度對(duì)管內(nèi)水分子的運(yùn)輸?shù)挠绊? 而何俊霞等人[11]通過改變形變位置探究納米通道中的窄結(jié)構(gòu)對(duì)水輸運(yùn)產(chǎn)生的開關(guān)特性.

由于生產(chǎn)合成中出現(xiàn)橢圓柱狀的形變碳納米管，而橢圓柱狀碳納米管對(duì)管內(nèi)水分子運(yùn)輸?shù)挠绊懳匆姷较嚓P(guān)報(bào)道. 因此本文通過分子動(dòng)力學(xué)的方法主要探究橢圓柱狀碳納米管的離心率e對(duì)水分子運(yùn)輸?shù)牧髁?、偶極矩分布和徑向分布函數(shù)的關(guān)系. 本文的研究對(duì)認(rèn)識(shí)生命體系新陳代謝、海水淡化、納米運(yùn)輸器件的研發(fā)有著重要的物理意義.

2 模型與方法

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖, 其中(a)圖陰影部分為control region, 圖(b)為不同離心率的碳納米管橫截面示意圖Fig. 1 The sketches of model structure,where the control region is indicated by shading in (a), and (b) is the sketch of cross-section of carbon nanotubes on different ellipse ratio

3 結(jié)果與討論

3.1 形變碳納米管內(nèi)水分子偶極矩概率分布

為了研究水分子在碳納米管內(nèi)的取向, 圖2給出了碳納米管內(nèi)水分子偶極矩方向與碳納米管z軸正方向之間夾角的概率分布. 設(shè)偶極矩方向與z軸正方向的夾角小于90°時(shí)為正偶極矩態(tài), 其大于90°為負(fù)偶極矩態(tài). 由圖2可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)(6,6)和(7,7)型碳納米管為圓柱狀(e=1)時(shí), 水分子偶極矩概率分布曲線均只存在一個(gè)峰, 且峰對(duì)應(yīng)的位置為48°, 這說明水分子通過圓柱狀碳納米管時(shí)為正偶極矩態(tài), 無負(fù)偶極矩態(tài)的出現(xiàn). 由圖(a)可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)手性矢量(6,6)碳納米管的離心率e≤1.0和e=2.0時(shí)其管內(nèi)水分子偶極矩的概率分布相同, 而離心率e=1.5和e=1.8的概率分布相同, 但它們都只存在一個(gè)峰且峰的位置和圓柱狀碳納米管峰的位置相同, 這表明在這些情況下碳納米管內(nèi)水分子均為正偶極矩態(tài); 但是對(duì)于e=1.2的(6,6)型碳納米管而言, 其偶極矩概率分布存在兩個(gè)峰, 分別位于48°和132°, 并且位于48°的偶極矩概率小于位于132°的, 這說明水分子處于負(fù)偶極矩態(tài)強(qiáng)于處于正偶極矩態(tài). 分析認(rèn)為隨著碳納米管的離心率的增加, 大多數(shù)水分子由正偶極矩態(tài)轉(zhuǎn)化為負(fù)偶極矩態(tài): 當(dāng)離心率再增加時(shí), 負(fù)偶極矩態(tài)又轉(zhuǎn)化為正偶極矩態(tài). 由圖(b)可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)(7,7)型碳納米管的離心率在0.81.5時(shí), 水分子偶極矩的負(fù)偶極矩態(tài)減小. 這說明改變(7,7)型碳納米管的離心率也能使水分子正偶極矩態(tài)和負(fù)偶極矩態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化.

圖2 水分子在碳納米管內(nèi)的偶極矩概率分布, 其中圖(a,b)分別為(6,6)和(7,7)型碳納米管Fig. 2 The probability distributions of dipole of water in carbon nanotubes, where (a) and (b) denote, respectively, those in (6,6) and (7,7) carbon nanotubes

3.2 徑向分布函數(shù)

徑向分布函數(shù)是描述分子體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù). 橢圓柱狀碳納米管內(nèi)水分子的徑向分布函數(shù)如圖3所示, 其中r表示離碳納米管壁的距離, 由于水分子無法通過e=0.5的(6,6)型碳納米管, 所以圖中無該條件下的徑向分布函數(shù)曲線. 由圖3(a,b)均可以發(fā)現(xiàn): 兩種管徑下離碳管壁0.26 nm范圍內(nèi)沒有水分子出現(xiàn), 并且當(dāng)碳納米管接近圓柱狀時(shí)該范圍增大, 這表明水分子在該范圍內(nèi)具有較高的勢能和該范圍大小與碳納米管離心率有關(guān). 同時(shí), 還發(fā)現(xiàn)同一e值下(6,6)型碳納米管的g(r)值均比(7,7)的大, 這說明水分子通過小管徑時(shí)其聚集程度高. 由圖3(a)可知: 當(dāng)e=0.6時(shí)g(r)存在兩個(gè)峰, 第一個(gè)為尖峰并位于r=0.32 nm處, 而第二個(gè)是平峰, 其范圍為0.40-0.48 nm, 并且第一個(gè)峰的強(qiáng)度比第二個(gè)峰的大; 當(dāng)e=1.8和e=2.0的徑向分布曲線重合, 并且存在強(qiáng)度相同的兩個(gè)峰; 當(dāng)0.8≤e≤1.5時(shí), 其徑向分布函數(shù)只存在一個(gè)峰, 并且強(qiáng)度隨著e的增加先增加后減小, 其臨界狀態(tài)為e=1時(shí). 這表明(6,6)型碳納米管越扁, 管內(nèi)水分子沿徑向存在兩種運(yùn)輸狀態(tài), 即存在兩條水鏈, 當(dāng)碳納米管接近圓柱狀時(shí)管內(nèi)水分子以單條水鏈運(yùn)輸且其與碳納米管的距離增加. 由圖3(b)可知: 當(dāng)e=0.5時(shí)g(r)存在兩個(gè)峰, 第一個(gè)峰位于r=0.34 nm, 第二個(gè)峰位于0.48 nm, 并且第一個(gè)峰的強(qiáng)度明顯大于第二個(gè)峰值; 當(dāng)e=0.6時(shí)g(r)只存在一個(gè)峰, 并且峰的強(qiáng)度與e=0.5的第一個(gè)峰的強(qiáng)度相同, 但是峰所處的位置增加為r=0.41 nm; 當(dāng)e=0.8和e=1.2時(shí), 徑向分布函數(shù)均存在兩個(gè)峰, 對(duì)應(yīng)峰的位置相同, 且第一個(gè)峰的強(qiáng)度均大于第二個(gè)峰, 但是當(dāng)e=1時(shí), 第一個(gè)峰的強(qiáng)度小于第二個(gè)峰; 當(dāng)e>1.2時(shí), g(r)均只有一個(gè)峰且峰的位置相同. 這表明當(dāng)(7,7)型碳納米管接近圓柱狀時(shí)管內(nèi)水分子存在兩種輸運(yùn)狀態(tài), 當(dāng)其越扁時(shí)(除e=0.5外), (7,7)型碳納米管只存在一種運(yùn)輸狀態(tài), 該結(jié)論與(6,6)型碳納米管相反.

3.3 水分子通過碳納米管的流量

圖3 不同離心率的碳納米管壁與其內(nèi)部水分子(C-O)的徑向分布函數(shù), 其中圖(a)為(6,6)型碳納米管, 并且e=1.8和e=2.0的徑向分布曲線重合; 圖(b)為(7,7)型碳納米管的徑向分布函數(shù)Fig. 3 The radial distribution functions (RDFs) of water in carbon nanotubes, where (a) is that in (6,6) carbon nanotubes and the RDF of e=1.8 coincides with e=2.0. (b) is that in (7,7) carbon nanotubes

水分子沿z軸正方向通過不同橢圓柱狀碳納米管的流量如圖4所示, 由圖可以發(fā)現(xiàn): 水分子通過圓柱形的(6,6)型碳納米管的流量小于通過(7,7)型的, 該結(jié)論與王俊等人[5]一致, 且同一e值下水分子通過碳納米管的流量隨著管徑的增加而增加; (6,6)型碳納米管當(dāng)e=0.5時(shí)流量為0, 這表明在該種情況下水分子無法通過碳納米管, 這是因?yàn)榇颂技{米管的短徑小于0.26 nm, 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)e<0.8的(6,6)型碳納米管流量隨著e值的增加而增加, 但是當(dāng)e>0.8時(shí)其流量幾乎不變; 然而對(duì)于(7,7)型碳納米管的流量是隨著e值的增加先增加后減小最后達(dá)到恒定值, 并且流量最大時(shí)是e=1時(shí)即碳納米管為圓柱狀時(shí). 分析認(rèn)為可以通過在一定范圍內(nèi)改變碳納米管的離心率來調(diào)節(jié)水分子通過碳納米管的流量從而起到分子開關(guān)的作用.

圖4 碳納米管的離心率與水分子的流量的關(guān)系Fig. 4 The relationship between water permeation and ellipse ratio of carbon nanotubes

4 結(jié) 論

本文通過分子動(dòng)力學(xué)的方法研究了水分子通過形變碳納米管的運(yùn)輸行為, 即探究碳納米管的離心率e與管內(nèi)水分子的偶極矩概率分布、徑向函數(shù)分布和流量的關(guān)系. 結(jié)果表明(6,6)型碳納米管內(nèi)水分子負(fù)偶極矩態(tài)在e=1.2時(shí)強(qiáng)于正偶極矩態(tài), 其它均為負(fù)偶極矩態(tài)弱于正偶極矩態(tài), 甚至沒有負(fù)偶極矩態(tài)的出現(xiàn); 當(dāng)該手性矢量的碳納米管越扁時(shí)(除e=0.5外)有兩條水鏈的出現(xiàn), 接近圓柱狀或?yàn)閳A柱狀時(shí)只有一條鏈出現(xiàn), 因?yàn)楫?dāng)e=0.5時(shí)沒有水分子通過碳納米管; 同時(shí)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)水分子的流量隨e的增加而增加最后保持不變. 然而手性矢量為(7,7)的碳納米管未出現(xiàn)負(fù)偶極矩態(tài)強(qiáng)于正偶極矩態(tài)的情況; 并當(dāng)其接近圓柱狀時(shí)管內(nèi)水分子存在兩條水鏈的輸運(yùn)狀態(tài), 當(dāng)碳納米管越扁時(shí)(除e=0.5外)只存在單鏈的運(yùn)輸狀態(tài), 該結(jié)論與手性矢量為(6,6)型碳納米管相反, 同時(shí)發(fā)現(xiàn)其流量隨著e值的增加先增加后減小最后達(dá)到恒定值, 并且為圓柱狀時(shí)流量最大. 分析認(rèn)為橢圓柱狀碳納米管的離心率變化使管內(nèi)水分子的偶極矩態(tài)及其運(yùn)輸狀態(tài)發(fā)生變化; 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)使碳納米管的離心率改變而起到分子開關(guān)的作用. 本文的研究對(duì)認(rèn)識(shí)生命的新陳代謝活動(dòng)、海水淡化和納米運(yùn)輸器件有著重要的參考作用.

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Research on the transport behavior of water in the deformed carbon nanotubes

YU You-Sheng, YUE Li, ZHANG Hong-Yun, YIN Hai-Feng, ZENG Fan-Ju, ZHANG Song

(College of Physics and Electronic Engineering, Kaili University, Kaili 556011, China)

The transport behavior of water through the carbon nanotubes play an important role for understanding the metabolic activity in the life, desalination and nano-transport devices. The aim of this paper is to investigate the transport behavior of water in the deformed carbon nanotubes, namely the ellipse ratio of elliptic carbon nanotubes effect on the transport behaviors, by molecular dynamic simulation. It is found that the ellipse ratio has great influence on the probability distribution of dipole, the radial distribution function and the permeation. It is shown that the deformed carbon nanotubes can change the dipole moment state and transport status of water in carbon nanotubes.It is also found that carbon nanotubes can as an on-off of molecules by change there shape in certain range.

Carbon nanotube; Water molecule; Transport behavior; Deformed

2014-09-01

貴州省科學(xué)技術(shù)聯(lián)合基金(黔科合LH字[2014]7225);貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2014]2147);凱里學(xué)院博士基金(BS201329); 凱里學(xué)院規(guī)劃基金(Z1234); 凱里學(xué)院原子與分子物理重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(KZD2014002)

余幼勝(1985—)，男,安徽潛山人，講師,碩士,主要從事凝聚態(tài)物理研究. E-mail: yuyoushengtt@163.com

103969/j.issn.1000-0364.2015.10.012

O552.4; O469

A

1000-0364(2015)05-0791-05