纳米受限下溶质水化结构的分子模拟

利用分子动力学模拟研究了五种不同种类的溶质分子(K+, Mg2+, Cl-, K-和K0)在直径为0.60-1.28 nm的纳米碳管内的水化结构. 模拟结果揭示了单电荷溶质、双电荷溶质和中性溶质在受限条件下具有不同的水化行为. 单价溶质的配位数只有在直径不大于0.73 nm的纳米碳管内才会明显减少. 和带有电荷的溶质不同, 中性溶质的配位数对纳米碳管直径的改变非常敏感, 并且随着管径的减小而迅速减少. 模拟结果还表明带单价正电荷的溶质(K+)第一配位层水分子的取向结构会随着纳米碳管直径的改变发生变化, 而其他溶质配位层取向结构在本文所涉及的纳米碳管内都几乎和体相中一致. 在直径大于1.0 nm的纳米碳管中, K+的配位层取向结构有序度随着管径的减小而单调下降, 但是在直径小于1.0 nm的纳米碳管中, 随着碳管管径的减小而迅速上升. 在两个最窄的纳米碳管内, 其结构有度甚至高于体相. 双电荷溶质的水化结构在本文所研究的碳管直径范围内和体相完全一致, 即使在直径只有0.6 nm的碳管内也无任何改变.     

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.     

水和盐分子在反渗透膜内扩散过程的分子模拟

采用分子动力学模拟方法研究了水和盐分子(NaCl, MgCl2, CaSO4, K2SO4)在8种反渗透复合膜中的扩散状态及扩散系数. 并对膜材料的结构单体与水和盐分子在膜内扩散系数相关性进行了分析与讨论. 在所模拟的8种膜内, 随着膜种类的不同, 水分子在其中的扩散系数有明显的变化, 且扩散系数的变化规律与实验所得到的膜的水通量一一对应. NaCl分子中的Na+和Cl-在膜内的扩散速率不一致, 其扩散系数值在同种膜中相差较大, 且当盐分子单独存在时, 制约其在膜内扩散过程的离子只与膜种类有关, 与盐分子本身无关. 在同种膜中, 水分子的扩散过程不受体系中盐分子类型的影响.     

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.     

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.     

水与乙醇分子在金管内吸附作用的分子动力学研究

使用分子动力学研究了乙醇与水分子在纳米金管内按照不同比例混合时的吸附现象,并利用径向密度分布函数及水和乙醇分子所形成的平均氢键数来探讨纳米限制效应.结果表明,径向密度分布函数和氢键数目受纳米金管影响较大.另外,水与金管之间的作用力比乙醇与金管之间的大,导致水分子形成的平均氢键数不同于乙醇分子的.     

氨分子对纤维素Iβ性能影响的分子动力学模拟

以纤维素Iβ为研究对象,通过分子模拟的方法,分别对其在有氨环境和无氨环境下的性能变化进行了仿真分析,主要包括对纤维素末端距、氨分子的扩散运动及氨分子与纤维素的氢键作用的研究.结果表明:氨分子的加入使得纤维素链的末端距增大,改善了纤维素链的柔顺性,合理的解释了"液氨整理可以用来改善棉麻纤维的柔顺性"的普遍共识;氨分子在纤维素中的均方位移和扩散系数随着温度的提高而变大,温度从298 K升高到398 K,氨分子的扩散系数增大87.8%,所以液氨整理过程中相应升高温度可以减少浸泡时间,提高生产效率;氨分子与纤维素形成的氢键,使得系统内的氢键总数增加,纤维素链内氢键数基本不变,但削弱了纤维素链间的氢键作用,加剧了纤维素链的运动,体现出良好的溶胀性能.     

超分子体系中轴－轮状D.D.主体分子的立体异构现象

组装了轴一轮状主体分子1,1,6,6-四基乙－2,4－二炔-1,6二醇(1)与天然主物异补骨脂素(2)。茴香醚(3)形成的两种超分子异构体的包结物晶体,它们的主客体分子摩尔比分别为1：2和2：1单晶X射线衍射分析了游离主体分子以及超分子包结物晶体的结构,结果表明在主客体分子摩尔比1：2的晶体中,主体分子与异补骨脂素形成氢键,主体分子采取对位交叉式构象;在主客体分子摩尔比为2：1的晶体中,主体分子这间形成氢键,主体分子采取邻位交叉式构,主体分子所取的构象取决于客体分子的性质,当客体分子为氢键好的受体时,可与主体分子生成1：2的包结物;当客体分子为氢键差的受体时,生成2：1有包结物,本文还对三种晶体是的主体分子的立体构苯环两面角,C(1)和C(6)所连基团的夹角和能量变化规律进行了比较和分析。     

分子内氢键的PMO研究

脂肪体系中分子内氢键与分子间氢键无论在性质和强度上都没有明显的区别,而在共轭体系中,分子内氢键的强度比类似官能团间的分子间的氢键大1倍以上。本文提出了用微扰分子轨道(PMO)方法来研究含杂奇交替烃体系中的分子内氢键。并观察到如下规律:1.对于相同官能团的一系列化合物,分子内氢键的强度主要取决于给予原子上的电荷密度。给予原子上电荷密度越     

离子通过碳纳米管的拉伸分子动力学模拟

采用拉伸分子动力学模拟研究了Na⁺, K⁺和Cl^－通过(6,6), (7,7), (8,8), (9,9)和(10,10)碳纳米管的过程, 利用伞形取样法计算了离子通过碳管的平均力势能, 并对离子在管中和本体相中的水化作了比较. 结果表明, 离子通过管径较窄的碳管时, 在入口处遇到较大的阻力, 从出口进入本体相较容易|而通过管径相对较宽的碳管则几乎无阻碍. 离子通过碳管的能垒随管径的增大而降低, 不同离子的能垒各不相同, 表明碳管具有固有的离子选择性|离子通过碳管时, 不仅其配位数改变了, 而且配位层中水分子的取向也有所改变, 这两者共同决定了离子进入碳管时的去水化能, 进而影响离子通过碳管的能垒和碳管的离子选择性. 本工作将有助于理解离子通道蛋白中疏水区域的功能作用, 并可以为基于碳纳米管的纳流控系统的设计提供指导.     

Fluid structure and transport properties of water inside carbon nanotubes

The fluid structure and transport properties of water confined in single-walled carbon nanotubes (CNTs) with different diameters have been investigated by molecular-dynamics simulation. The effects of CNT diameter, density of water, and temperature on the molecular distributions and transport behaviors of water were analyzed. It is interesting that the water molecules ordered in helix inside the (10, 10) CNT, and the layered distribution was clearly observed. It was found that the axial and radial diffusivities in CNTs were much lower than that of the bulk, and it ever decreased as the diameter of CNT decreases. The axial thermal conductivity and shear viscosity in CNTs are obviously larger than that of the bulk and those in the radial direction, they increase sharply as the diameter of CNT decreases, which is clearly in contrast to the diffusivity. The inner space of CNT and the interactions between water molecules and the confining walls play a key role in the structure and transport properties of water confined in the CNTs.     

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.     

受限于不同螺旋性的纳米碳管中水的分子动力学模拟

近年来将纳米碱米碳管引入到与生命过程息息相关的离子通道膜的研究逐渐成 为热点，而其中的关键就是要了解受限于膜孔道（碳管）中水分子的行为。采用分 子动力学模拟在300 K和1.01 * 10~5 Pa下对受限于（6，6）armchair型和（10， 0）zigzag型纳米碳管中的水进行了研究，得到了水分子在碳管中的局部密度分布 等静态性质以及水分子在碳管中的传递等动态性质，并对不同势能模型的模拟结果 作了比较。结果表明选择不同的势能模型并没有改变此体系的固有性质，即水分子 不仅能够进入到憎水性的（6，6）碳管中而且能形成一条稳定的由氢键相连的纵列 （single file），而且在管中以纵列的形式进行同歇传递。此外，碳管螺旋性对 受限水的静态性质影响不大但对动态性质则有一定程度的影响，水分子在（10，0 ）zigzag型碳管中的传递能力要强于在（6，6）armchair型碳管中的能力。     

石墨烯狭缝受限孔道中水分子的分子动力学模拟

石墨烯是一种具有广泛应用前景的纳米材料,特别是由石墨烯片层自组装形成的二维纳米通道能够应用于物质的过滤分离.本文采用分子动力学模拟方法研究了原态石墨烯/羟基改性石墨烯狭缝孔道中水分子的微观行为,模拟计算了水的界面结构性质和扩散动力学性质,所研究的石墨烯孔宽为0.6-1.5 nm.模拟结果表明,在石墨烯狭缝孔道中,水分子受限结构呈现层状分布,在超微石墨烯孔道(0.6-0.8 nm)中水分子可形成特殊的环状有序结构,石墨烯表面可诱导产生特殊的水分子界面取向.在石墨烯孔道中,水分子的扩散运动低于主体相水分子的扩散运动,羟基化石墨烯孔道可以促使水分子的扩散能力降低.对于改性石墨烯狭缝孔道,由于羟基的作用,水分子可以自发渗入0.6 nm的石墨烯孔道内.模拟所得到的受限水分子的动力学性质与水分子在石墨烯孔道内的有序结构有关.本文研究结果将有助于分析理解水分子通过石墨烯纳米通道的渗透机理,为设计基于石墨烯的纳米膜提供理论指导.     

Adsorption of water molecules inside a Au nanotube: a molecular dynamics study

A molecular dynamics simulation of water molecules through a Au nanotube with a diameter of 20 A at bulk densities 0.8, 1, and 1.2 gcm(3) has been carried out. The water molecules inside a nanoscale tube, unlike those inside a bulk tube, have a confined effect. The interaction energy of the Au nanotube wall has a direct influence on the distribution of water molecules inside the Au tube in that the adsorption of the water molecules creates shell-like formations of water. Moreover, the high number of adsorbed molecules has already achieved saturation at the wall of the Au nanotube at three bulk densities. This work compares the distribution percentage profiles of hydrogen bonds for different regions inside the tube. The structural characteristics of water molecules inside the tube have also been studied. The results reveal that the numbers of hydrogen bonds per water molecule influence the orientational order parameter q. In addition, the phenomenon of a group of molecules bonded inside the tube can be observed as the number of hydrogen bonds increase.     

磺化双酞菁钴自组装膜结构的表面增强拉曼光谱

采用自组装的方法构建了双核磺化酞菁钴轴向配位有序排列的膜层结构. 结合双核磺化酞菁钴分子体系自身所具有的性质及其和桥联分子四巯基吡啶之间相互作用的信息, 对其自组装膜的表面增强拉曼光谱进行了分析, 探讨了其自组装行为, 合理地解释了本自组装体系的膜层结构. 研究结果表明, 双核磺化酞菁钴分子(Bi-CoPc)在这种自组装膜中是以与基底平面存在一定夹角的倾斜的方式排列的.     

Solvation dynamics of coumarin 153 in alcohols confined in silica nanochannels

Solvation dynamics in alcohols confined in silica nanochannels was examined by time-resolved fluorescence spectroscopy using coumarin 153 (C153) as a fluorescent probe. Surfactant-templated mesoporous silica was fabricated inside the pores of an anodic alumina membrane. The surfactant was removed by calcination to give mesoporous silica (Cal-NAM) containing one-dimensional (1D) silica nanochannels (diameter, 3.1 nm) whose inner surface was covered with silanol groups. By treating Cal-NAM with trimethylchlorosilane, trimethylsilyl (TMS) groups were formed on the inner surface of the silica nanochannels (TMS-NAM). Fluorescence dynamic Stokes shifts of C153 were measured in alcohols (ethanol, butanol, hexanol, and decanol) confined in the silica nanochannels of Cal- and TMS-NAMs, and the time-dependent fluorescence decay profiles could be best fitted by a biexponential function. The estimated solvent relaxation times were much larger than those observed in bulk alcohols for both Cal- and TMS-NAMs when ethanol or butanol was used as a solvent, indicating that the mobility of these alcohol molecules was restricted within the silica nanochannels. However, hexanol or decanol in Cal- and TMS-NAMs did not cause a remarkable increase in the solvent relaxation time in contrast to ethanol or butanol. Therefore, it was concluded that a relatively rigid assembly of alcohols (an alcohol chain) was formed within the silica nanochannels by hydrogen bonding interaction and van der Waals force between the surface functional groups of the silica nanochannels and alcohol molecules and by the successive interaction between alcohol molecules when alcohol with a short alkyl chain (ethanol or butanol) was used as a solvent.     

手性和尺寸对受限于单壁碳纳米管内的硝基甲烷热解反应的影响

采用组合的量子化学ONIOM(B3LYP/6-311++G**:UFF)方法, 研究了不同直径的扶手椅型(CNT(5,5)、CNT(6,6)、CNT(8,8))和锯齿型(CNT(9,0)、CNT(10,0)、CNT(11,0))单壁碳纳米管(CNTs)的限制作用对硝基甲烷分子结构和热解反应的影响. 分子结构分析表明, 与单体硝基甲烷相比, 受限于直径较小的CNT(5,5)和CNT(9,0)碳纳米管内的硝基甲烷构型发生扭转, Cs对称性消失, C—N键长略微缩短; 而受限于CNT(6,6)、CNT(8,8)、CNT(10,0)和CNT(11,0)内的硝基甲烷结构变化不明显. 热解势能面计算发现, 与硝基甲烷单体的热解是一个无过渡态的解离过程明显不同: 硝基甲烷在CNT(5,5)和CNT(9,0)碳纳米管内沿C—N键的解离经历过渡态结构, 所需克服的活化能比单体的解离能分别下降了约71和58 kJ·mol-1; 在CNT(6,6)和CNT(10,0)碳纳米管内, 硝基甲烷的热解活化能略有下降; 而在直径较大的CNT(8,8)和CNT(11,0)碳纳米管内, 热解活化能基本不变. 研究结果表明, 直径小的碳纳米管的限制作用对硝基甲烷热解活化能影响显著, 碳纳米管的手性对硝基甲烷热解反应影响不明显.     

Grand canonical monte carlo simulation study of water adsorption in silicalite at 300 K

This molecular simulation work focuses on the adsorption of water in a priori hydrophobic silicalite-1, a microporous ordered silica. The water-water interactions are described with the SPC model, while water-silica interactions are calculated in the framework of the PN-TrAZ model. The water adsorption isotherm at 300 K, the configurational energies, and the isosteric heat of adsorption are calculated by the grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulation method. The thermodynamic integration scheme allows one to calculate the grand potential along the adsorption isotherm. The adsorption results are compared with experiments, showing only qualitative agreement. Indeed, the simulations do not reproduce the expected hydrophobicity of silicalite (Eroshenko, V.; Regis, R.-C.; Soulard, M.; Patarin, J. C. R. Phys. 2002, 3, 111). This indicates that common models used to describe confined polar molecules are far from being operative. In this work, it is shown, on the basis of periodic ab initio calculations, that confined water molecules in silicalite have a dipole value roughly 10% smaller than that in the bulk liquid phase, indicating that the environment felt by a confined water molecule in silicalite pores is not equivalent to that in the bulk liquid. This suggests that effective intermolecular potentials parametrized for bulk water are inefficient to describe ultraconfined water molecules. Reducing the SPC water dipole moment by 5% (i.e., decreasing water partial charges in magnitude) in GCMC calculations does allow reproducing the experimental water/silicalite isotherm at 300 K.