非平衡扰动驱动纳米孔道中的水流动发电的机理研究

可高效地利用环境中的非平衡涨落（扰动）发电的纳米换能器是解决纳米器件能量自供的关键，在生物医学、军事、无线通信、无线传感等领域有广泛的应用前景。基于水分子在金属性碳纳米管中流动能够产生电的基本原理有望设计并制备出这种具有较高效率、可控的利用环境中非平衡涨落发电的换能器- - 纳米水力发电机。实现这一目标要解决的关键问题是理解环境的非平衡涨落对受限在纳米空间中由氢键网络相连的水分子的输运行为的作用规律。本项目将采用分子动力学模拟、密度泛函和统计动力学理论对这一关键问题展开研究，包括受限空间中水分子协同作用以及外部电荷、碳纳米管、环境中的水分子的非平衡扰动等对具有特殊非对称空间结构的碳纳米管中的水分子微观输运的影响。进一步研究以上因素对纳米水力发电机工作效率的影响，并基于此研究结果，借鉴生物纳米通道的结构，希望从理论（包括模拟）上设计出高效同时实验上又比较容易实现的纳米水力发电机。

我们通过分子动力学模拟，研究了碳纳米管外水分子、碳纳米管本身、外部电荷和修饰的化学组分的非平衡扰动对具有不同几何结构（特别是具有空间非对称性几何结构）的碳纳米管中水分子的输运行为的影响。分析了扰动的方式与频率对碳纳米管中水流动的方向性与速度的影响。同时，利用统计理论与计算模拟结合研究了纳米能量转换器的工作的效率问题。研究碳纳米管不同的空间几何结构，电荷的不同分布形式，扰动的不同方式与频率对基于碳纳米管的能量转换器的工作效率的影响。发表相关论文共13篇，有些已经被国内外同行引用，相关研究成果得到同行认可。在完成项目过程中，共培养了3位硕士生，另三位硕士生在读，继续做后续的研究课题。