学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

碳纳米管中水分子输运的分子动力学研究

作　者: 程承平
导　师: 罗成林
学　校: 南京师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳纳米管 分子动力学模拟 水泵 单向水分子流 碳纳米管阵列
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 43次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


本文的研究内容有两部分,分别是基于双壁碳管的水泵设计和碳管阵列中水渗透的分子动力学模拟。虽然许多学者在纳米尺度下水分子输运领域的研究作出了很多努力,但要实现水分子在纳米通道中稳定高通量的单向流仍是一个难题。水分子在纳米通道中的传输对于纳米流器械的设计至关重要。碳纳米管由于其独特的结构特性,是水分子输运纳米通道的重要候选者之一。我们以(5,5)@(10,10)和(6,6)@(11,11)双壁碳管作为基本单元,设计了纳米水分子泵(图5.6),其中双壁管的内管作为水分子通道被固定,拉动外管作为单向高通量水分子流的驱动源。分子动力学模拟的结果表明：(1)水通量受外管拉动速度v的影响。随着拉速v的增加,水分子通量先增大后减小。且(5,5)@(10,10)和(6,6)@(11,11)都在v为0.10A/ps时有最大水通量80.65ns-1和137.10ns-1；在同样的拉速v下,(6,6)@(10,10)水泵比5,5)@(9,9)水泵的通量高。(2)外管被拉动时,内管中的水分子轴向密度分布变化明显,峰值增多,密度分布更趋向均匀,说明外管被拉动时,水分子运动更流畅。(3)水分子在碳管内的输运过程中,会出现分子偶极矩翻转,我们发现水分子偶极矩分布曲线的两个峰值相差大时,对应的水分子通量也越大。这些发现为实现无渗透压或静水压力梯度情况下水分子的输运提供了依据。在水分子渗透碳纳米管阵列方面。对几个碳管间距不同的阵列模型的计算结果表明,碳管间距(3.0A)过小时,水分子无法通过碳管间隙,当碳管间距增加到一定值(3.4A)时,碳管间隙内会有一条水分子链,继续增大到一定值(7.0A),每个碳管都会被一层水分子包裹。碳管间距改变时,不仅碳管外部水分子密度分布不同,碳管内部也有明显差异,随着碳管间距的增加,碳管内的第一层水分子的位置会向管壁靠近。由于碳管间距不同时,碳管间隙中的水分子分布位置不同,因此水分子偶极矩取向也不一样,而碳管间距为3.4A时,碳管间隙中的水分子排列结构和(5,5)和(6,6)管中的水分子结构类似。另外统计比较了不同碳管间距,水分子的平均轴向速度,结果表明：首先,随着碳管间距的增大,碳管内和碳管间隙或碳管外部水分子的平均速度都增大,且碳管内的水分子速度比碳管间隙或碳管外部水分子的大；其次,随着碳管间隙的增大,碳管内部和碳管间隙或碳管外部水分子的速度越来越接近,在碳管间隙增加到很大(单根碳管系统),碳管内外水分子速度已无明显差别。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章 引言  8-12
  参考文献  10-12
第二章 分子动力学原理  12-24
  2.1 分子动力学  12-16
    2.1.1 牛顿运动方程  14-15
    2.1.2 运动方程的数值求解  15-16
  2.2 力场的描述  16-19
    2.2.1 AIREBO势函数  17-18
    2.2.2 Lennard-Jones势  18-19
  2.3 边界条件  19
  2.4 分子动力学模拟的系综  19-22
    2.4.1 微正则系综  20
    2.4.2 等温等压系综  20
    2.4.3 正则系综  20-22
  参考文献  22-24
第三章 碳纳米管的结构和水分子模型  24-32
  3.1 碳纳米管的介绍  24-26
    3.1.1 单壁碳纳米管的结构及其表征  24-25
    3.1.2 多壁碳纳米管的结构  25-26
    3.1.3 单壁碳纳米管束  26
  3.2 水分子模型及力场参数的简要介绍  26-30
    3.2.1 三粒子模型  27-28
    3.2.2 四粒子模型  28-29
    3.2.3 五粒子模型  29-30
  参考文献  30-32
第四章 基于双壁碳纳米管的水泵模型  32-45
  4.1 单壁碳管对单个水分子的吸附作用  32-33
  4.2 双壁碳管和单个水分子的动力学模拟  33-36
  4.3 基于双壁碳管的水泵系统  36-38
  4.4 影响水泵水通量的因素  38-40
  4.5 受限水分子的偶极矩取向分布  40-41
  4.6 水分子的密度分布  41-42
  4.7 本章结论  42-44
  参考文献  44-45
第五章 碳纳米管阵列中水渗透的分子动力学模拟  45-54
  5.1 体系模型的建构  45
  5.2 模拟方法  45-46
  5.3 模拟结果及分析  46-50
    5.3.1 水分子密度分布  46-47
    5.3.2 水分子均方位移  47-49
    5.3.3 水分子偶极矩取向  49-50
  5.4 水渗透单根碳管的分子动力学模拟  50-51
  5.5 碳管阵列及单根碳管中水分子输运的轴向速度  51-52
  5.6 本章结论  52-53
  参考文献  53-54
已发表及待发表的学术论文  54-55
致谢  55

相似论文

  1. PBO/SWNT复合纤维的制备及结构与性能研究,TQ340.64
  2. 多壁碳纳米管负载Au@Pt、Au@Pd核壳结构催化剂的制备及电化学性能研究,O643.36
  3. 不同类型亲水性结构表面修饰的聚氨酯材料与凝血十二因子九肽片段及纤维蛋白原P1片段相互作用的计算机模拟,O631.3
  4. 表面修饰碳纳米管负载金属纳米催化剂的合成及性能研究,O643.36
  5. 碳纳米管复合修饰物电极及其在电分析化学中的应用,O657.1
  6. SnO2/CNTs复合体的可控制备及气敏性研究,TB383.1
  7. MWCNTs与ZnO/SnO2复合材料的制备及其NO气敏性研究,TB33
  8. 金属性与半导体性碳纳米管的密度梯度分离法,TB383.1
  9. 温度对Pt/Au异质外延薄膜生长影响的分子动力学模拟,O484.1
  10. 二维晶格失配外延铝薄膜结构弛豫的分子动力学模拟,O484.1
  11. 单壁碳纳米管阵列制备及其粘附力研究,TB383.1
  12. 环肽纳米管作为跨膜水通道的分子设计,TB383.1
  13. 空调系统冷冻水泵节能改造的节能量认定方法研究,TU831
  14. 煤矿井下排水自动控制系统的研究,TP273
  15. 功能化碳纳米管修饰电极在电化学传感器中的应用研究,O657.1
  16. 嵌段聚合物的合成及其与CNTs复合材料的研究,TB332
  17. 基于糖尿病相关靶标β3-AR和GLP-1R的药物设计研究,R914.2
  18. 纤维表面原位生长碳纳米管三维增强体的制备及应用,TB383.1
  19. 碳纳米管固相萃取—高效液相色谱法测定水中酚类化合物,O661.1
  20. 发电设备综合状态的评价方法研究及应用,TM621.3
  21. 沙角A电厂#5机B凝结水泵变频改造应用,TM921.51

中图分类: >
© 2012 www.xueweilunwen.com