基于碳纳米管水通道的共振输运机制研究

Recently, researches on the transport properties of water and ions at the nanoscale are hot topics, of which how to control, especially to improve the transport efficiencies of water and ions across a nanochannel is a highly concerning subject. The hydrogen bond is a key to the water transport properties in the nanometer scale. In this project, we thus intend to excite water resonance by the vibration of carbon naonotube (CNT) or terahertz electric fields (TEFs). Through the resonant modes the water molecules can acquire enough energy to break the bonding of hydrogen bonds. Our purpose is to improve the transport efficiencies of water and ions through the resonant transport mechanism. Specifically, using the molecular dynamics simulations, the main research includes two parts as follows: (1) exploring the effect of CNT with the different vibration modes on the dynamic properties of water. We mainly analyze the differences and similarities of the water resonant mechanism with different vibration modes, and clarify the threshold values of the key parameters to achieve the resonant transport; (2) investigating the effect of TEFs on the transport properties of ions. The TEFs are employed to induce the resonances of water molecules around the ions which should influence the ion diffusion rate. We focus on the threshold values of theTEF parameters corresponding to high ion-permeation rate. The finding of this project will provide valuable theoretical evidences and technical supports for the design of high-flux nanofluid devices and the investigation of biological water or ion channels on the basis of the resonant transport mechanism.

水和离子在纳米尺度下的输运性质是近年来的研究热点，这其中如何操控、特别是提高水和离子在纳米通道中的输运效率是人们高度关注的课题。氢键是决定水在纳米尺度下输运性质的一个关键因素，本项目试图利用碳管的振动或太赫兹电场来激发水分子的共振，使其获得足够的能量克服氢键的束缚，形成纳米尺度下水和离子的共振输运，实现提高水和离子的输运效率。具体研究内容为：使用分子动力学模拟，(1) 探索碳纳米管的不同振动模式对管中水输运性质的影响。侧重比较分析不同振动模式下水分子共振响应机制的差别与共同点，指明实现共振输运机制的关键参数阈值；(2) 研究太赫兹电场对离子输运性质的影响。通过太赫兹电场诱导纳米管道中离子周围水分子的共振，达到影响离子扩散速率的目的，重点关注高离子渗透率对应的电场参数阈值。该项目成果将为基于共振输运机制的高通量纳米流体器件的研制，以及生物水、离子通道的研究提供有价值的理论依据和技术支撑。

水在纳米通道中的输运性质是近年来的研究热点，本项目主要围绕（6,6）碳纳米管水通道的相关输运性质进行展开。首先我们研究了静水压的大小对碳纳米管中水输运性质的影响，结果表明在较低静水压下,（6,6）碳纳米管中的一维水分子链由于受到热运动影响而频繁发生翻转，氢原子和氧原子朝前的输运状态几率是相等的，但是在高压下这种翻转会受到了抑制，水链总是保持氢原子朝前穿过碳纳米管。进一步研究表明静水压与管轴方向成45度角最有利于水分子通过碳纳米管。其次我们研究了静电场大小和方向对水输运性质的影响。研究表明，静电场能够使碳纳米管中水分子沿着电场方向顺排，从而提高水的渗透率，同时我们也发现在较低场强的情况下，对于静电场方向与静水压方向相同和相反的两种情况下，净水流量有明显的差别，反向电场更有利于水分子穿过碳纳米管。另一方面，我们研究了太赫兹电场在普通水和重水中的热效应，结果发现当太赫兹电场频率在普通水和重水固有转动频率附近就会产生共振效应，引起水温度的升高，进一步研究表明普通水分子和重水分子由于质量不等，导致共振频率区间并不相同，这种差别可能会将彼此分开。该项目的研究及其成果，将为设计新颖的纳米传感器和高通量纳米流体器件，太赫兹电场在重水分离上的应用提供有价值的理论依据。