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.     

受限于纳米碳管中的乙醇分子的结构和扩散的分子模拟研究

利用分子模拟研究了常温常压下受限于(8,8) (管径1.081 nm)和(15,15) (管径 2.035 nm)单壁纳米碳管中的乙醇分子. 对受限分子的径向密度分布和氢键等静态性质以及扩散性质进行了分析. 结果显示在管内乙醇分子的平均氢键数目和主体相一致. 乙醇分子在(8,8)碳管内具有高度有序的结构, 而在(15,15)碳管内由于空间的增大导致结构有序度的降低, 其中分子取向已呈随机分布. 进一步对扩散系数的分析发现, 在管内乙醇分子的轴向扩散系数低于主体相, 特别在(8,8)碳管内乙醇分子几乎丧失了轴向扩散能力.     

分子模拟在超临界流体领域中的应用

"分子模拟作为一种全新的研究手段已经在化学、化工、材料、生物等领域受到了广泛的关注。特别是在超临界流体技术方面,其应用不但可以获得许多结构、传递以及热力学信息,而且可以部分取代昂贵的超临界实验。本文从超临界流体在主体相和受限空间中的特性以及超临界萃取、反应等几个方面对现有的分子模拟方法和成果进行总结与评述,并对进一步发展的方向和面临的困难进行了讨论。     

基于分子间相互作用的纳米尺度分子传递

纳米尺度下的分子传递是以纳米先进材料为导向的材料化学工程学科所面临的关键科学问题之一.借鉴分子热力学的建模研究思路研究分子传递,从分子之间相互作用出发,结合分子模拟技术,有望最终建立理论模型,实现分子传递的定量预测.本文通过几个研究实例初步探索了如何从分子间相互作用出发开展纳米尺度下分子传递的研究,利用分子模拟手段解析纳米尺度下特殊的微结构,并以此为基础进而实现对分子传递行为的调控和预测,指导具有丰富纳米结构的膜材料以及催化材料的设计和应用.     

纳米受限水的研究进展

水是生命之源,在人类生存和社会生产中扮演了极其重要的角色,然而水的反常性质及在物理、化学、生物过程等领域中的作用和机理却仍存在很多谜团。近年来,水科学研究已逐渐成为科学研究的热点之一。地球上的水大部分是体相水,但在自然界和科学研究中,水同样会以界面/受限水的形式参与到物理、化学过程中。纳米受限水普遍存在于自然及合成的纳米环境中,受限水与体相水的差异主要体现在水的动力学及热力学性质的改变,受限水的存在对材料在生物、环境、地质和传感器等领域的应用也具有深远的影响。本文对纳米受限水的结构进行分析,并归纳了纳米受限水的动力学、热力学以及电学特性,对纳米受限水的研究手段及发展历程进行分类总结,举例介绍了纳米受限水在环境和能源等领域的潜在应用,最后对受限水研究进展及存在问题进行了总结,并对其后续发展进行展望。     

硝酸钾电解质溶液水化结构的分子动力学模拟

Molecular dynamics simulations were carried out to study the structure of ion clusters and hydration properties of KNO3 solution. The water molecule was treated as a simple-point-charge (SPC) model, and a four-site model for the nitrate ion was adopted. Both the Coulomb and Lennard-Jones interactions between all the charged sites were considered, and the long-range Coulomb electrostatic interaction was treated using Ewald summation techniques. The configuration of ionic pairs, the radial distribution function of the solution, and the effect of solution concentration on ionic hydration were studied in detail. It was found that there are ionic association phenomena in KNO3 solution and that the dimeric, triplet, solvent-separated ion pairs, and other complex clusters can be observed at high ionic concentration condition. As the concentration of solution decreases, the ionic hydration number increases, 5-7 for cation K+ and 3.5-4.7 for anion NO3-, which is in good agreement with former Monte Carlo and time-of-flight neutron diffraction results.     

离子水化模型和水化能的计算

本文根据静电理论和晶体场理论将金属离子的水化分为水合和水溶剂化两个过程,水化能主要决定于这两个过程的能量变化,并由此推得水化能的计算公式。计算结果与实验值基本相符,从而证明这一模型是合理的。     

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.     

电解质溶液界面结构的分子动力学模拟研究

电解质溶液界面结构的研究不仅具有重要的理论意义, 而且具有一定的实用价值. 采用分子动力学模拟研究了LiCl, LiBr, LiI, NaI, KI, CsI水溶液中阴阳离子在1×105 Pa和300 K下的气液界面分布情况, 探讨离子水化与电解质溶液界面结构的关系, 并分析阳离子水化能力的强弱对共存阴离子在界面富集分布的影响. 通过对模拟结果的分析发现, 离子的水化能力越强, 就越能形成稳定的水化结构而处于本体相中, 水化能力越弱, 则越易在界面富集. 该机理合理地解释了离子在界面的分布现象, 阳离子水化能力一般较其共存阴离子强而处于本体相, 阴离子则趋向在界面处富集; 不同阴离子在界面的密度分布也与阴离子的水化能力相关, 阴离子水化能力越弱, 其在界面富集程度越高, 不同阴离子在界面的富集趋势为Cl－＜Br－＜I－; 阳离子水化能力的强弱也影响其共存阴离子在界面的富集程度, 阳离子的水化能力越弱, 其共存阴离子在界面的富集程度就越低.     

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.     

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.     

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.     

尿素/氧化三甲胺混合溶剂影响单壁碳纳米管内部水合性质的分子动力学模拟

尿素是早已被人们认识的蛋白质变性剂,而氧化三甲胺则是最常用的蛋白质结构保护剂。虽然多年来被广泛应用在生物实验中,但是它们是如何在蛋白质结构形成中起作用,特别是氧化三甲胺是如何在高浓度尿素环境中起到抑制尿素蛋白变性作用的分子机制,至今仍然没有得到圆满解答。本文以单壁碳纳米管为模型疏水体系,采用分子动力学模拟研究尿素/氧化三甲胺混合溶液中纳米管内部水合性质,结果表明氧化三甲胺更易与水分子和尿素分子形成较强相互作用从而稳定了水溶液结构,这一结果亦表明了氧化三甲胺可以通过间接机制抵消尿素分子对于碳纳米管内部水合性质的影响。     

二氟尼柳/水滑石插层组装结构、氢键及水合特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟二氟尼柳插层水滑石(DIF/LDHs)的超分子结构, 研究复合材料主客体间形成的氢键以及水合膨胀特性.结果表明, 当水分子总数与DIF分子总数之比Nw≤3时, 层间距dc保持基本恒定, 约1.80 nm; 当Nw≥4时, 层间距逐渐增大, 且符合dc=1.2611Nw+13.63线性方程. 随着水分子个数增加, 水合能驻UH逐渐增大. 当Nw≤16时, 由于⊿UH<-41.84 kJ·mol-1, LDHs-DIF可以持续吸收水, 从而使材料层间距不断膨胀. 但当Nw≥24时, ⊿UH>-41.84 kJ·mol-1, 此时LDHs-DIF层间不能再进一步水合, 因此LDHs-DIF在水环境中膨胀具有一定的限度. 水滑石层间存在复杂的氢键网络. DIF/LDHs水合过程中, 水分子首先同步与层板和阴离子构成氢键; 当阴离子趋于饱和后, 水分子继续与层板形成氢键, 并逐步发生L-W型氢键取代L-A型氢键, 驱使阴离子向层间中央移动, 与层板发生隔离; 最后水分子在水滑石羟基表面形成有序结构化水层.     

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.