非均匀电场诱导下利用水分子媒介作用操控纳米颗粒的理论研究

The manipulation of nanoparticles in water solution is of essential importance in biotechnology and industrial applications, such as the transportation and screening of drug molecules and biomolecules, the improvement of catalytic activity of metal nanoparticles, the self-assembly of nanomaterials, et al. The electrical control is particularly attractive because it is relatively noninvasive and nondestructive to the nanoparticles. However, for the charge-neutral and nonpolar nanoparticles with a few nanometers in water solution, the electric field could not exert a force large enough on them directly. Moreover, due to the thermal fluctuations of water molecules around them, the controllable manipulation is difficult to be achieved. In this project, on the basis of molecular dynamics simulation, we focus on the phenomena and mechanism of manipulating nanoparticles by water mediation effects under non-uniform electric field. We mainly investigate the changes of the water structure around the nanoparticle induced by electric field, including the dipole orientation, the number of hydrogen bonds, and the interaction energy between water molecules. In addition, we analyze that how the water mediation effects dominate the behaviors of nanoparticles, such as the dynamic behaviors, and the forces on nanoparticles, et al. Finally, the configurations of nanoparticles are explored, such as the shape, size and wettability of the nanoparticles. These results are of importance for understanding the water mediation effects under electric field at nanoscale, and helpful for us to develop new methods of manipulating the nanoparticles.

水溶液中纳米颗粒的操控有广泛的生物背景和工业应用，例如药物分子、生物分子的输运和筛选，金属纳米颗粒催化性能的提升，纳米材料的自组装等。电学操控手段凭借其对纳米颗粒无损伤和无侵害的优点得到了大量的应用。但是对于水溶液中尺寸仅有几个纳米的非极性和电中性纳米颗粒，电场很难对其起到直接的作用，并且由于周围水分子热扰动的影响，纳米颗粒的操控遇到本质的困难。本项目拟使用分子动力学模拟方法，研究利用非均匀电场诱导极性的水分子发生变化进而对纳米颗粒动力学行为产生影响的现象和物理机制。我们将重点研究不同形式非均匀电场诱导下纳米颗粒周围水分子性质的变化，包括偶极方向，氢键数量，水分子间相互作用能等；深入分析纳米颗粒的行为，包括运动规律，受力等；并讨论纳米颗粒形态变化的影响，包括形状，大小，表面亲疏水性等。这些研究对我们认识纳米尺度电场作用下水的媒介作用至关重要，并为纳米颗粒的操控提供帮助和指导。

本项目的研究背景是针对纳米尺度上水溶液中非极性以及电中性的纳米颗粒的操控很难精准有效，而利用施加非均匀电场的手段，通过诱导固液界面处水分子的偶极方向和电场方向一致从而对纳米颗粒产生力的作用，实现对纳米颗粒的操控。因此本项目拟使用分子动力学模拟方法，研究利用非均匀电场诱导极性的水分子发生变化进而对纳米颗粒动力学行为产生影响的现象和物理机制，主要研究内容包括以下几个方面：（1）不同形式非均匀电场诱导下纳米颗粒周围水分子性质的变化，包括偶极方向，氢键数量，水分子间相互作用能等；（2）研究了时变电场作用下碳纳米管装纳米颗粒在水溶液中的动力学行为，包括不同场强作用下不同管径的碳纳米管装颗粒在水溶液中旋转频率等；（3）讨论DNA片段等生物分子纳米颗粒在受限空间以及固液界面的动力学行为，包括DNA分子在石墨烯表面吸附的物理机制以及电场作用下对DNA分子吸附行为的影响等。.本项目的主要研究结果总结如下：.（1）连续变化电场和阶梯型变化电场都可以诱导纳米颗粒的定向运动，从场强较大的区域运动到场强较小的区域；场强梯度的变化率越大，纳米颗粒受到的力越大，运动到场强小的区域的速度越快；分别研究了富勒烯C60，C180，C240，C320在非均匀电场作用下的动力学行为，当粒径比较小，水分子热涨落的影响比较大，纳米颗粒很难被非均匀电场驱动；当粒径比较大，水分子热涨落的影响比较小，纳米颗粒容易被非均匀电场驱动。.（2）当旋转电场转速合适时，通过增大碳纳米管装纳米颗粒的半径可以使得在最短时间内与旋转电场的转动频率保持一致；在适当的旋转电场速度下，增加碳纳米管纳米颗粒长度可以减小滞后角；T型，Y型碳纳米管装纳米颗粒在水溶液中的转动能力比十字型纳米颗粒的转动能力要强，通过计算水分子偶极指向的变化，可以得出前者的受力要比后者受力大。.（3）研究发现ssDNA吸附在氧化石墨烯表面的过程是一个步进式的过程，首先是和氧化基团形成氢键，然后是ssDNA和氧化石墨烯形成π-π结构，最终吸附在表面上。通过施加非均匀电场作用，破坏了氢键和π-π相互作用，可以实现ssDNA的脱吸附行为。