T形管水流分析

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:anglelc
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近年来,对于受限于纳米尺度的孔道中的水分子动力学行为和其中物理学规律的研究越来越广泛,因为在纳米尺度下的水分子表现出许多与宏观体相水(bulk water)不一样的性质。已有的实验结果表明,由于水分子在相对窄的单壁碳纳米管中可以形成稳定的氢键网络从而克服巨大的能垒,所以其通过特定直径范围的纳米管的速度远远大于宏观流体力学模型的预测值。因此,研究水分子通过生物水通道的各种传输过程和特性,对于开发纳米器件、生物传感器等具有重要意义。目前生物水通道的理论研究通常采用碳纳米管作为简化的理论模型,因为具有合适半径的单壁碳纳米管与生物水通道蛋白分享了一些相同而且重要的性质:第一,通道中的水分子呈一维单分子链形式存在,通过氢键网络可做协同运动;第二,改变水通道半径或者管壁与水分子之间的相互作用,将改变管内水分子填充状态或者引起汽液相转变;第三,通道内水分子的轴向密度分布稳定且类似正弦波形。   2007年,上海应用物理研究所李敬元等人发现外置于纳米碳管的单电荷会对水通道产生显著的电学开关效应。之后2009年,我组涂育松等人发现将单电荷固定在Y形碳管的某一端口,能够很好的控制整个Y形管中水分子偶极的朝向,并且由于正负电荷交替引起的水分子偶极朝向的转换速度相当快,在几个纳秒的量级。但是,这种电荷对水分子偶极朝向的控制能力与电荷量大小是否有关系,对于外界静水压干扰的抵抗能力的大小,以及在静水压的条件下水流量的大小目前还没有相关研究。在本文中,我们采用分子动力学模拟的方法,搭建T型单壁碳纳米管系统,改变固定在T形管一端靠近管口位置的单电荷的电荷量的大小,分析各种电荷量相应系统中的水分子流量,进而得到他们之间的相互关系。   通过分析,我们发现在一定的静水压的条件下,原本外置电荷对管内水分子偶极朝向的完美控制会被打破,并且,随着电荷量的减小它对管内水分子偶极的控制程度也越来越差,各个管内的水分子偶极翻转相对频繁且无时间上的明显规律。而电荷量的大小对水流量的控制有着十分有趣的效果,当电荷量的绝对值相对小的时候,水流量相对于没有外置电荷的系统会有一个缓慢并且略微的减小过程,当外置电荷的电荷量足够大的时候,它对水通过管子的促进作用相当的明显,而且电荷量越大这种促进作用也越显著,同时正电荷对水流量的作用效果相对于负电荷对与水流量的影响效果更加突出。
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