分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1:1的甲醇-水混合溶液在纳米碳管(CNT)中的静态结构以及输运行为.研究发现:在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失.另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

水中受拉伸负载下单壁纳米碳管机械性质的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了(5,5)扶手椅型和(10,10)锯齿型纳米碳管在水中受拉伸负载下的机械性质.通过计算纳米碳管中氧和氢原子的局部密度分布研究了限制效应.结果表明,碳管在水中的杨式系数与在真空下相同,而碳管在水中的拉伸应力小于在真空中的.     

金纳米颗粒周围水的结构和动力学性质的分子动力学模拟

采用经典的分子动力学模拟方法系统地研究了在常温条件下金纳米颗粒周围水的结构与动力学性质. 结果表明, 水分子在纳米颗粒附近形成了明显的多层结构. 同时随着径向距离的减小, 水分子的空间取向也从无序排列趋向于有序排列. 通过分析界面处不同水层中的均方位移及停留时间分布, 发现紧贴颗粒表面的第一和第二水层中的水分子表现出很低的扩散系数, 而第三和第四水层中的水分子则能够轻易地离开界面区域而进入主体相区域. 此外, 在界面处的每个水分子的氢键平均数要高于在主体相的平均值.     

甘氨酸在纳米碳管中的吸附及性质的分子模拟

Molecular Mechanics and Molecular dynamics have been performed to study the adsorption and the diffusion,and optimize the configuration and the energy of glycine molecules in carbon nanotubes. The results of the simulation indicate that the configuration of glycine has been changed,and those varieties will bring on the changes of the biological properties via molecular biology. Carbon nanotube shows relatively strong sorption for glycine molecules,and carbon nanotubes and glycine molecules will produce relatively strong interaction of π-π electrons. The motions between glycine molecules and carbon nanotubes will keep very synergistic status in order to make the system remaining in the state of optimal energy among the simulation.     

纳米结构表面浸润性质的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了氩纳米液滴在铂金属及其模型固体表面的浸润现象,获得了液滴在平滑表面和三角纳米结构阵列表面的接触角和展布特性.研究表明,液滴与壁面的势能作用较强时,液滴与纳米结构表面为均匀浸润,但是由于迟滞效应,接触角受表面纳米结构的影响不明显;势能作用较弱时,纳米结构间隙中存在类似蒸汽的低密度相,液滴与纳米结构表面为非均匀浸润,接触角受纳米结构的影响而增大;表面纳米结构可以使表面具有超疏水性.     

正渗透过程中纳米碳管膜的盐水通道行为

以纳米碳管(CNT)仿生构筑正渗透(FO)膜, 采用分子动力学模拟的方法考察水和盐在由CNT(6,6)、CNT(7,7)、CNT(8,8)、CNT(9,9)、CNT(10,10)、CNT(11,11)等不同尺寸纳米碳管构筑膜中, 于2.5、3.75、5.0mol·L^-1等不同汲取液浓度下的传递行为. 纳秒级的模拟得到水分子在不同尺寸纳米碳管膜内的分布, 水通量的变化以及盐截留等情况. 模拟结果表明, 由CNT(8,8)构筑的正渗透膜表现出优异的通水阻盐性能.     

分子动力学模拟纳米晶体银的结构和性能

通过分子动力学方法,采用以局域密度（LDA）近似和二阶动量矩（SMA）近似为基础的多体势函数,模拟了纳米面心立方晶体银的结构,对模拟的结果进了不同尺寸的纳米晶体的能量分布,弹性常数,表面能及熔点等计算,并与相应的实验结果进行了比较,结果表明采用此多体势函数模拟纳米晶体的结构和性能,比用其它势函数更精确,与实验结果更吻合。     

纳米器件的分子动力学模拟

分子动力学广泛应用于分子体系, 但受限于计算能力, 一般难以用于纳米器件的研究. 本文采用自主开发的超大规模分子动力学仿真程序(NanoMD), 构建了原子级的纳米齿轮模型, 并以此为代表实现了对具有高速转动特性的纳米器件的模拟. 通过位错和缺陷分析, 确定了纳米器件在高速转动过程中的应力分布以及失效机制, 并明确了以极限弹性转速为依据的材料强度衡量模式. 研究发现纳米器件在极限转速方面存在明显的尺寸效应: 随着器件直径的减小而单调增大, 随着轴径的缩小而先增大后减小.     

水、甲醇和乙醇液体微结构性质的Car-Parrinello 分子动力学模拟

采用Car-Parrinello 分子动力学(CPMD)方法分别研究了水、甲醇和乙醇的液体微结构性质.研究结果显示:在水、甲醇和乙醇三个体系中O…O径向分布函数曲线的第一个峰位置分别为0.278、0.276 和0.275nm; O…H径向分布函数曲线的第一个峰位置分别为0.178、0.176和0.177 nm.表明基团(氢原子、甲基、乙基)的差异对O…O第一个峰的位置影响很小.但基团的差异对径向分布函数峰高的影响却很显著,由水到乙醇第一个峰的高度逐渐变高.空间分布函数表明氧原子和氢原子在溶剂分子周围有取向地分布,这与径向分布函数所表现出尖锐的第一个峰相一致.氢键分布分析显示,水、甲醇和乙醇的平均氢键数分别为3.62、1.99 和1.87,表明水形成了网状氢键结构,而甲醇、乙醇形成链状氢键结构.     

氧气在碱溶液中结构与扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对不同温度(25-120 ℃)及碱浓度(1:100-1:5, 摩尔比)下NaOH和KOH溶液中的氧气进行了模拟. 本文考察了NaOH及KOH溶液中溶剂-溶剂、氧气-溶剂及氧气-溶质的径向分布函数, 并采用爱因斯坦方程从均方位移曲线中计算得到了氧气及溶质离子的扩散系数. 结果显示随着碱浓度的升高, 氧气扩散系数逐渐减少; 在相同条件下, 氧气在NaOH溶液中扩散系数小于在KOH溶液中的扩散系数; 溶质离子扩散系数的变化规律与氧气一致. 通过与现有实验结果对比, 发现了分子动力学方法的可靠性及用于研究实验受限领域的优越性.     

Absorption and Structural Property of Ethanol/Water Mixture with Carbon Nanotubes

Molecular dynamics (MD) simulations are performed to study the structure and adsorption of ethanol/water mixture within carbon nanotubes (CNTs). Inside the (6,6) and (10,10) CNTs, there are always almost full of ethanol molecules and hardly water molecules. Inside wider CNTs, there are some water molecules, while the ethanol mass fractions inside the CNTs are still much higher than the corresponding bulk values. A series of structural analysis for the molecules inside and outside the CNTs are performed, including the distributions of radial, axial, angular density, orientation, and the number of hydrogen bonds. The angular density distribution of the molecules in the first solvation shell outside the CNTs indicates that the methyl groups of ethanol molecules have the strongest interaction with the carbon wall, and are pinned to the centers of the hexagons of the CNTs. Based on the understanding of the microscopic mechanism of these phenomena, we propose that the CNTs prefer to contain ethanol rather than methanol.     

有限长碳纳米管中的分子输运

采用非平衡分子动力学方法研究了有限长度、开口单壁碳纳米管中氦分子的输运过程.结果表明氦分子在小管径碳纳米管中主要以超扩散方式运动.当碳纳米管直径大于某一阈值时发生从超扩散向弹道输运方式的转变,而随着管径的继续增大,分子输运重新以超扩散的方式进行.这种转变与纳米管端口效应有密切的联系.当碳纳米管内部分子通过弹道方式高速运动时,这种运动在端口处由于端部势垒的影响而被抑制,造成端部阻塞现象,其本质是受端部势垒和碳纳米管管径共同影响的结果.     

异型碳纳米管储氢性能的分子动力学模拟研究

采用分子动力学(MD)方法对三种理想的Y型碳纳米管[记为Y(4,4), Y(6,6), Y(10,0)]和三种L型碳纳米管[记为L(9,0), L(6,6), L(10,0)]之储氢性能进行了模拟研究, 并与相应的直线型碳纳米管的储氢能力进行了比较, 同时考察了温度、碳纳米管的直径和螺旋性以及缺陷的位置和大小对异型碳纳米管储氢性能的影响. 结果表明, 在室温和低温条件下, 异型碳纳米管的储氢量高于直线型碳纳米管的储氢量, 且其储氢量大小随温度的降低和碳管直径的增大而增加, 椅式碳纳米管的储氢性能优于齿式碳纳米管, 而缺陷的位置和大小对异型碳管之储氢性能的影响则因碳管的形貌和直径的大小不同而存在差异.     

聚乙烯链在碳纳米管侧壁吸附的动力学模拟研究

利用经典的分子动力学模拟方法对聚乙烯(PE)分子在两种不同类型的碳纳米管(CNT)中的吸附进行了研究. 计算了两者之间的扩散系数和相互作用能; 利用PE链自身的扭转角分布和取向参数对PE链构象进行了分析. 结果表明, PE链可以在CNT上很好的吸附, 且PE的构象和吸附位置主要与温度和CNT的半径有关, 与管的类型关系不大.     

碳纳米管膜分离Li+/Mg2+的分子动力学模拟

采用"扶手椅"型碳纳米管建立了连续的碳纳米管膜模型,利用分子动力学模拟方法研究了Li+和Mg2+在膜中的传导行为.模拟研究了不同管径的碳纳米管CNTs(7,7),(8,8),(9,9),(10,10),(11,11)对Li+和Mg2+的通透性,检测了两种离子进入管内时的平均力势,探索了两种离子在碳纳米管内的径向、轴向密度分布,观测了个别离子在管内的运动轨迹.结果表明,模拟中CNTs(9,9)用于有效分离Li+和Mg2+的效果较好.管径不同,导致Li+和Mg2+通量不同,平均力势(PMF)差值不同,同时离子的轨迹和径向、轴向密度分布也有所差异.总之,碳纳米管是一种可将Li+和Mg2+分离的潜在材料.     

Structural and Transport Characteristics of UCl3 in Molten LiCl-KCl Mixture: a Molecular Dynamics Simulation Study

To obtain suitable data for the pyrometallurgical post-processing in the fusion-fission hybrid reactor, the structure and transport characteristics of molten LiCl-KCl mixture containing UCl₃ were studied by molecular dynamics simulation. The radial distribution functions, densities, and self-diffusion coefficients were investigated at various molar fractions of UCl₃. In the molten LiCl-KCl-UCl₃ salt mixture, the first peak for g_U-Cl(r) was located at 0.266 nm, which was slightly left-shifted than the X-ray diffraction data, i.e., 0.285 nm for pure molten UCl₃. The preexponential factors for U³⁺ decreased from 46.2×10^-5 cm²/s to 32.2×10^-5 cm²/s as the molar fraction of U³⁺ increased from 0.005 to 0.05.     

以荷电化碳纳米管构筑正渗透膜用于海水淡化的分子动力学模拟

受传统膜科学中分离膜的荷电化可提升膜盐水分离效能的启发,在前期工作基础上尝试以荷电化碳纳米管CNT(8,8)为水通道仿生构筑正渗透膜,利用分子动力学模拟的方法研究水分子在膜中的传递行为.模拟中,以0.5mo·lL-1氯化钠溶液模拟海水,1mo·lL-1的氯化镁溶液为汲取液,考察不同电量电荷修饰对碳纳米管正渗透膜中水分子密度分布、扩散系数以及水通量的影响.结果显示,电荷修饰对碳纳米管中水分子的密度分布和扩散速率以及水通量影响较显著,当碳纳米管管口荷电量为-0.3e时,碳纳米管膜可获得最大水通量.     

反渗透过程中双壁碳纳米管通水阻盐性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 探究了非常规双壁碳纳米管(DWCNT)在反渗透过程中, 不同内外管间距对管道内水分子与盐离子运动行为的影响. 本文采用0.5 mol·L^-1氯化钠水溶液模拟海水, 内管始终采用CNT(8,8)型, 并对盐水层施加恒力模拟反渗透压. 重点考察盐离子数量分布与通水情况, 计算水分子平均力势, 并分析水分子氢键寿命与偶极矩分布. 结果表明, 管间距不仅影响上述各项性质, 还会改变盐离子与水分子在碳管中的渗透特性. 模拟结果显示, 小尺寸DWCNT可以有效实现盐水分离但水通量较小, 大尺寸DWCNT的水容量较大但阻盐效率不高, 而中尺寸DWCNT (即: 管间距为0.815 nm)则具有最佳的通水阻盐性能. 本文试图从分子层面揭示了DWCNT通水阻盐机理, 并为人们设计新型海水淡化渗透膜提供理论指导.