納米水通道的設(shè)計(jì)和模擬

章其林

(安徽工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院，安徽蕪湖241000)

自碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其不尋常的電學(xué)、力學(xué)性質(zhì)就受到廣泛的關(guān)注，同時(shí)由于它的中空結(jié)構(gòu)，天然構(gòu)成了納米尺度的毛細(xì)管，純水在毛細(xì)吸力的作用下能被壓入碳納米管內(nèi)[1]。Holt等人也在實(shí)驗(yàn)上觀察到水確實(shí)能占據(jù)碳納米管內(nèi)，并具有很好的流動(dòng)性[2]。碳納米管作為納米通道有很多潛在的應(yīng)用，比如說(shuō)海水脫鹽、藥物傳送、模仿生物系統(tǒng)的選擇性離子輸運(yùn)等，以下主要介紹水在小管徑碳納米管中的構(gòu)型以及碳納米管作為水通道的一些模擬設(shè)計(jì)研究和潛在的應(yīng)用前景。

1 常溫下碳納米管中水的構(gòu)型

水分子是極性分子，通常情況下是通過(guò)氫鍵團(tuán)簇在一起的。在大體積水中，水分子組成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水的氫鍵方向是隨機(jī)分布的，當(dāng)水分子被限制在二維固體表面，水分子的氫鍵方向具有較高的一致性和穩(wěn)定性，這一發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)水在受限空間下的結(jié)構(gòu)探究產(chǎn)生了濃厚的興趣。隨后人們又把目光轉(zhuǎn)向準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分子被吸入一個(gè)適當(dāng)管徑(例如:管徑是8.1埃的(6，6)碳納米管)的碳納米管中后，水分子形成單鏈狀結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。這種單鏈狀水分子具有大體積水或者是受限的二維表面的水分子所沒(méi)有的性質(zhì)。如圖2所示，當(dāng)水分子進(jìn)入碳納米管后，每個(gè)水分子將平均失去4個(gè)氫鍵中的2個(gè)，O－H鍵和氫鍵一起，使水分子沿著管軸方向有序排列成一維鏈狀結(jié)構(gòu)，這種鏈就像鋸齒形狀的“Zigzag”結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，值得人們進(jìn)一步去探索。

圖1 水在碳納米管中的一維鏈狀結(jié)構(gòu)

圖2 水鏈的氫鍵分布

2 碳納米管水通道的設(shè)計(jì)和模擬

2.1 外部環(huán)境對(duì)納米水通道的影響

在宏觀尺度下，管內(nèi)水的輸運(yùn)性質(zhì)幾乎不受外界環(huán)境的影響。然而，Gong[4]等人在碳納米管外加上石墨片，用來(lái)模擬納米生物膜，如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在圖3a中加一片石墨片，改變它與中心的距離，發(fā)現(xiàn)水流量幾乎沒(méi)有影響。而在圖3b中，加上兩片石墨片，改變它們之間的距離，流量有很明顯的變化。為什么兩片石墨片間距會(huì)影響水流量的大小呢?可以這樣來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題，在沒(méi)有石墨片的情況下，納米管外部充滿了水，管外的水分子對(duì)管內(nèi)水分子有電磁吸引作用，在微納米尺度下，這一作用能明顯影響管內(nèi)水分子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)加上兩片石墨片，石墨片有間隔時(shí)，其相應(yīng)的管外環(huán)境就變成真空，當(dāng)距離增大，真空環(huán)境也相應(yīng)變大，管內(nèi)水分子受到的平均勢(shì)場(chǎng)也發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)對(duì)水的輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。水的通量與石墨片間距離的關(guān)系如圖3c所示，在0到4埃附近范圍內(nèi)，隨距離的變化，流量幾乎呈線性增加，隨后流量也緩慢增加。這些結(jié)果說(shuō)明了納米通道中水的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)對(duì)外部環(huán)境的變化非常敏感，這對(duì)我們正確理解生物體控制水的滲透和設(shè)計(jì)新穎的納米流體器件有啟發(fā)意義。

圖3 納米水通道模擬模型和結(jié)果

2.2 納米水通道的電學(xué)開(kāi)關(guān)

Li等人[5]通過(guò)在碳納米管外側(cè)加+1e的點(diǎn)電荷，模擬研究其對(duì)納米管中水輸運(yùn)性質(zhì)的影響。如圖4a，圖4b所示，電荷對(duì)水的流量有比較明顯的影響。電荷與碳納米管距離與水通量的關(guān)系如圖4c所示，該曲線表明，在距離大于0.85 A時(shí)，凈水流量幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)距離繼續(xù)減小后，凈水流量迅速降低，在電荷完全靠近納米管時(shí)，凈水流量非常小，接近0。產(chǎn)生這一有趣現(xiàn)象的原因是碳納米管中水分子之間的氫鍵對(duì)水的流量起了關(guān)鍵作用，在沒(méi)有電荷靠近前，水分子之間通過(guò)氫鍵構(gòu)成一維鏈狀結(jié)構(gòu)，協(xié)同運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電荷靠近管時(shí)，水分子間的氫鍵遭到破壞，在電荷靠近處氫鍵基本斷裂，形成一個(gè)比較大的勢(shì)壘，不利于水分子的通過(guò)，流量因此會(huì)迅速下降。該研究結(jié)果表明，在一個(gè)關(guān)鍵距離0.85 A內(nèi)，凈水流量對(duì)電荷的距離是非常敏感的，電荷就像一個(gè)開(kāi)關(guān)一樣能控制納米管中水流的通斷。

圖4 納米電學(xué)開(kāi)關(guān)模擬模型和結(jié)果

2.3 納米注射器

常見(jiàn)的注射器是通過(guò)壓力原理實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的裝載和送出，在納米世界里，也可設(shè)計(jì)出這樣的納米注射器。Rivera[6]等人模擬出帶有活塞的納米水通道。在圖5中，碳納米管嵌在兩石墨片之間，左側(cè)是個(gè)水庫(kù)。a部分右邊沒(méi)有可以自由活動(dòng)的石墨片，其模擬結(jié)果表明，水分子在熱運(yùn)動(dòng)下也會(huì)有很少量自發(fā)地進(jìn)入納米管中。但是由于左側(cè)水庫(kù)有一定量的水分子，在氫鍵的作用下，管內(nèi)水分很難逃掙脫氫鍵的束縛，產(chǎn)生一定的凈流量。b部分顯示的是放置一個(gè)石墨片，結(jié)果表明在石墨片的吸引下，有少量的水分子能夠流過(guò)納米管，產(chǎn)生一定的凈流量。c部分對(duì)應(yīng)增加右邊石墨片的厚度情況下，到達(dá)右邊的水分子個(gè)數(shù)沒(méi)有明顯的增加。d部分對(duì)應(yīng)讓石墨片以一個(gè)速度勻速向右移動(dòng)，大量的水分子滲透到右邊。移動(dòng)速度有一極值，當(dāng)超過(guò)0.25nm·s－1時(shí)，石墨片會(huì)和水分子分離，不能促使水分子到達(dá)右邊。e和f部分對(duì)應(yīng)的是親水的硫化氫膜片，模擬結(jié)果與疏水的石墨片效果基本形同，這也說(shuō)明了對(duì)水的凈流量大小與吸引膜表面是否親水關(guān)系不大。這些結(jié)果對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)高效的納米注射器具有一定的理論參考價(jià)值。

圖5 納米管和移動(dòng)的石墨片仿真納米注射器

3 納米水通道的力學(xué)開(kāi)關(guān)

Wan[7]等人研究了納米管形變對(duì)水通道的影響，納米力學(xué)開(kāi)關(guān)模擬模型和結(jié)果如圖6所示。其中，圖6B表示給(6，6)納米管施加一定的外力后使其發(fā)生形變。圖6D表示的是模擬結(jié)果，當(dāng)納米管形變?cè)?.0埃范圍內(nèi)，凈水流量(flux)基本沒(méi)有變化，隨著形變?cè)龃螅髁恐饾u變小，當(dāng)相變達(dá)到2.6埃時(shí)，水流量幾乎為0。該模擬結(jié)果表明在一定的形變范圍內(nèi)，納米管中的水的輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)管徑大小的變化不是非常敏感。另一方面，在2.0埃的基礎(chǔ)上，再增加0.6埃的形變就可以實(shí)現(xiàn)水流的完全通斷，表明納米水通道在此范圍內(nèi)又是非常敏感的。這些結(jié)果表明在納米尺度下，可以通過(guò)納米器件的形變實(shí)現(xiàn)力學(xué)開(kāi)關(guān)效應(yīng)。

圖6 納米力學(xué)開(kāi)關(guān)模擬模型和結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水在形如碳納米管這樣的納米通道里，有其獨(dú)特的構(gòu)型和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。各種巧妙的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，為我們揭示了水在納米水通道中一些有趣的性質(zhì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)納米水通道控制的可能性。這些研究成果對(duì)設(shè)計(jì)相關(guān)的納米流體器件和探究生物水通道、生物離子通道都有重要的指導(dǎo)意義。

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