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随着计算机技术和计算方法的迅速发展,计算机模拟在物质科学的研究方面中占据越来越重要的地位。分子动力学是一种重要的计算机模拟方法,即求解多原子系统的经典力学运动方程,通过统计平均计算出体系的结构与性质。
碳纳米管独特的力学、电学、光学、热学和化学性质,引起了科学家的极大兴趣,具有广阔的应用前景。
我们通过分子动力学模拟,对乙醇和水的混合溶液在若干种碳管中的吸附性质进行了研究。从模拟结果发现,在(6,6)和(7,7)碳纳米管中几乎完全是纯的乙醇,而没有水分子,即使在管外溶液中乙醇浓度很低的情况下也是如此。在更大管径的碳纳米管内可以发现水的存在,但是管内乙醇的浓度仍然大大高于管外的浓度。在我们组以前的工作中,我们曾在甲醇和水的混合体系中发现过类似现象。然而,在同样的体相浓度下和同样的碳管中,乙醇的浓度总是大于甲醇的,这说明碳纳米管对乙醇的选择性比对甲醇的更高。在结构性质方面,管内径向密度分布及氢键分布与纯乙醇溶液的模拟结果相差很小。通过轴向密度分布,可以清楚地看到小管径碳管中乙醇分子的具体排列形式。如在(6,6)管中,四个乙醇分子形成了两组以氢键作用连成的单链结构。管外第一层乙醇分子的角向密度分布表明甲基与碳管的六边形中心有很强的相互作用。
我们也利用分子动力学方法研究了碳纳米管用于生物质油提纯的可能性,模拟对象是生物质油中两种最主要的成分苯酚和乙酸的混合物。结果显示,碳管对乙酸分子的吸附选择性优于苯酚,但是优势并不十分明显。碳管中乙酸的质量分数随时间的波动较大,呈现脉冲式的变化。这种表现和乙醇与水混合溶液中的情况不同,可能代表混合溶液吸附的一类基本模式。