亲水纳米管中水分子动力学性质研究

Understanding water’s dynamics/transport in nanotubes is of great importance in many areas ranging from drug delivery and desalination of sea water. Conventionally, many researches focus on water transportin hydrophobic nanotubes, while little is currently known regarding the water’s transport/dynamics in hydrophilic nanopores. Recent progress on water’s unique properties on hydrophilic surfaces implies that the water transport maybe enhanced in hydrophilic nanopores. In this project, on the basis of molecular dynamics simulations, we investigate the effect of hydrophilic (charged) nanopores and microstructure on water transport. Furthermore, based on the simulation results and the theory of statistical physics, we will propose a phenomenological model, to theoretically interpret water transport properties in hydrophilic nanopores. This study might be helpful in understanding of fast water transport through hydrophilic nanopores, including both artificial and biological channels, and might also helpful in the development of nano device especially nano fluid system design.

理解纳米管中水的流动行为，对于药物传输、海水淡化等许多方面，有着重要的意义。目前，人们对于水分子在常规（疏水）纳米管中动力学行为进行了大量的研究，但对于亲水纳米管内水分子流通性的研究还是比较少。亲水界面上水独特性质的最新研究进展给我们研究提高亲水纳米管道水的流通性提供了一种新的思路。本项目采用分子动力学模拟方法，运用带电碳纳米管简化模型来研究亲水纳米管中水分子的流通性，同时研究管内壁微结构对水流动性的影响;然后结合统计物理理论，在对模拟数据系统分析的基础上，建立唯象理论模型，对带电碳纳米管中水分子流通性的变化提出理论解释，分析其背后的物理机制。这些研究对我们进一步认识纳米管道中水的流动行为至关重要，并为设计更高通透性的微纳米水通道提供理论依据，也有助于理解某些生物水通道的结构和功能，对微流动技术、药物输送、水处理、生物传感器等方面技术发展方面提供帮助。

理解纳米管中水的流动行为，对于药物传输、海水淡化等许多方面，有着重要的意义。目前，人们对于水分子在常规（疏水）纳米管中动力学行为进行了大量的研究，但对于亲水纳米管内水分子流通性的研究还是比较少。亲水界面上水独特性质的最新研究进展给我们研究提高亲水纳米管道水的流通性提供了一种新的思路。本项目采用分子动力学模拟方法，运用带电碳纳米管简化模型来研究亲水纳米管中水分子的流通性，主要研究内容：（1）我们构建以带电纳米管为模型，探讨了不同温度下（T=280K到500K），管内水输运性质的变化温度对靠近纳米管的表面水层的影响，进而对管内水输运性质的影响。研究表明在带电表面的第一个水单层的相变与体相的水有很大的不同。第一个水单层的轴向扩散系数在三个温度区域有不同的变化，它们以不同的方式(线性或指数)随温度增加。选取水分子的偶极分布作为序参量，我们对有序水层的变化进行分析，发现从有序水到无序水的过渡是连续的。.（2）探讨了电场的变化（从0V/nm到5V/nm）对亲水纳米管里的水输运性质的影响；.（3）不同浓度盐溶液（NaCl溶液和KCl溶液）在亲水纳米管中的动力学性质；.纳米管道中水的流动行为至关重要，并为设计更高通透性的微纳米水通道提供理论依据，也有助于理解某些生物水通道的结构和功能，对微流动技术、药物输送、水处理、生物传感器等方面技术发展方面提供帮助。