受限在纳米通道内水分子定向流动机理研究

Understand the mechanism of unidirectional water molecule flow confined in the nanochannel will lay a foundation for understanding law of fluid dynamics in biological channels and fluid application in energy conversion. When water molecules are confined in the nanoscale, the average interactions of molecule-molecule and molecule-channel are important for dynamic behavior of water molecules, which exhibits novel behaviors different from bulk water. And so far, those behaviors can be not understood by the widely accepted theory. This project is based on the ratchet effect to design system of unidirectional transport. Nonequilibrium molecular dynamics simulation is used to calculate the movement law of water molecules, which is combined with the mathematical modeling of the movement law of water molecules to present new ideas. Those will be used to reveal essential transport mechanism of continuous unidirectional water flow, and to provide a theoretical basis for understanding continuous unidirectional flow and design system of unidirectional flow.

揭示受限在纳米通道内水分子的定向流动机理，将对深入理解生物通道内的流体动力学规律和流体能量的转化应用奠定基础。当水分子受限在纳米尺度的通道内时，由于分子与分子之间、分子与通道壁面之间的相互作用，对分子的动力学行为起到了关键作用，因而会表现出许多与宏观水相不一样的行为。但目前还没有一种能被广泛承认的，能解释其传输机理的理论。在目前机理尚不明确的情况下，本项目拟基于棘轮效应，设计可行性的定向流系统，运用非平衡分子动力学模拟方法统计水分子的微观运动规律，结合数学建模分析纳米受限下的水分子动力学规律，进而提出新的思路，更加本质的揭示受限空间下的连续定向流传导本质机理，为解释相关的纳米受限定向流机理和设计定向流系统奠定理论基础。

本项目利用分子动力学模拟方法结合数学建模，对纳米通道内水分子的流动进行了系统的研究。经过三年的研究，完成了预期的研究任务，基本上达到了预期的研究目标。我们研究了外界的电荷对受限在纳米通道内水分子的流动的影响，发现了电共振现象，并建立数学模型对模拟结果进行了详细的讨论。我们探讨了外置振动电荷与静止电荷对纳米通道内水流动影响，发现了两种影响效果是相反的。我们也发现纳米孔表面的电荷电量可以有效操控纳米孔道内水分子的运动。通道外置电荷，可对仅受限一维水链的“Y”型纳米孔道，实现类似于三极管偶极水信号操控。基于棘轮效应，我们在无外加渗透压情况下，通过非平衡分子动力学模拟的方法，证明了非对称的外界电荷和力学扰动可以操控纳米通道内水流动的净流量和方向，详细地分析了转动频率、外力振动频率、纳米通道表面振幅等相互耦合对纳米通道内水流动所表现出复杂的流动行为，建立相应的数学模型进行解释，揭示了外电荷、力学扰动等驱动纳米通道内水分子定向流动的机理。此外，我们发现新型二维纳米孔隙薄膜可以加速纳米孔道内水分子渗透能力，等等。. 本项目的研究成果在《Angew.Chem.Int.Ed.》、《Nano Lett.》、《Phys.Rev.E》等SCI杂志上发表学术论文7篇，已被国内外同行大段引用及正面评价。以发表在《Angew.Chem.Int.Ed.》和《Nano Lett.》的学术论文为部分代表作，获得2017年教育部高校科研成果奖（科学技术）自然科学一等奖（已公示）。项目执行期内，研究团队中2位教师获得职称晋升，2位教师获得博士学位，3位教师出国进行了为期一年的学术访问，协助培养硕士研究生4人。