电场驱动水分子在碳纳米管中单向输运的分子动力学研究

Achieving a fast, unidirectional flow of single-file water molecules (UFSWM) across a carbon nanotube is important for membrane-based water purification or seawater desalination. For this purpose, electric-field-driven methods are recognized as a very promising approach and have been extensively discussed in the literature. Utilizing molecular dynamics simulations, here we propose a design for pumping water molecules in a single-walled carbon nanotube in the presence of a linearly gradient electric (GE) field [J. Phys. Chem. B: 2011, 115: 13275-13279]. On the basis of this work, our plan is three-folded. Firstly, we investigate the pump of water molecules in a straight single-walled carbon nanotube in the presence of a curving GE field; Secondly, we design a molecular water pump by using the GE field and Y-carbon nanotube. Finally, we attempt to achieve desalination of ionic solutions by using electric fields, charges and carbon nanotubes. These results have significance for the design of nanoscale devices for readily achieving controllable UFSWM at high speed.

在一个碳纳米管中实现一列水分子的快速单向流动，对基于渗透膜的污水净化 和海水淡化来说是非常重要的。为了这个目的，电场驱动方法被认为是一个有希望的方法。在2011年，我们采用分子动力学模拟提出了一种分子水泵的设计 ，这种设计通过沿着一个单壁碳纳米管的管轴方向加上一个线性的梯度电场来实现水泵效果的[J. Phys. Chem. B: 2011, 115: 13275-13279]。本项目以我们这个工作为基础进行拓展。首先，研究曲线梯度电场在直碳管分子水泵中的效率；然后，研究在梯度电场驱动下的Y型碳管分子水泵；最后,我们采用电场、电荷和碳管对离子溶液进行淡化。我们的研究对于设计纳米尺度高效可控 的净水装置具有参考意义。

研究纳米尺度的水对生命活动和工业生产很重要。我们采用分子动力学模拟研究受限在纳米通道中的水和在细胞膜表面上的水溶液。我们探讨了水在圆形、正方形和正三角形纳米通道中的效应，发现当通道截面积小于0.796 nm2时会发生异常流动；我们设计了一个分子双稳态触发器，它的主体部分是一个单壁碳纳米管，一个水分子受限在管内，它能实现0.5 ps (2000 GHz)的高速状态转变，信号可以通过原子力显微镜输出；人们一直认为平行的纳米受限能提高水的凝固温度，然而，我们发现在电场作用下平行受限反而阻碍了凝固相变，并且还发现平行电场比垂直电场更容易导致水凝固；氮气和一些惰性气体有强的麻醉效力，其机制一直不清楚，我们用分子动力学模拟氮气和惰性气体在水溶液和细胞膜系统中的动态过程，结果表明气体分子能进入膜中，导致膜的测压增加，高的测压会阻断细胞膜上的离子通道信号，促使麻醉发生；双酚A是一种可疑的内分泌干扰物，我们发现它能破坏细胞膜分子，并会导致在膜上出现一个纳米孔，这可能是它具有细胞毒性的重要原因；最后，我们研究了水溶液中单双链DNA分子吸附在氧化石墨烯表面的动态过程，发现单链能牢固的平躺在表面上而双链只能垂直竖在表面上，这能解释DNA测序传感器的机理。总之，我们的工作致力于探索纳米尺度的水及水溶液，可以为进一步的相关应用研究提供启发，像海水净化、生物传感器和药物设计等方面。