纳米级离子液体液滴流动电势的分子动力学模拟研究

发布时间：2017-12-23 21:23

本文关键词：纳米级离子液体液滴流动电势的分子动力学模拟研究　出处：《兰州大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：浸没在流动的电解液或极性分子液体中的石墨烯或碳纳米管能够产生流动电势,可以用于实现纳米尺度下的自供能,从而使纳米机器人等纳米电机系统在无需额外电源供电、不增加器件重量和尺寸的情况下实现生物分子传感、远程控制等复杂功能。现有的关于流动电势的研究中采用的诸如氯化氢溶液、液体水、甲醇溶液等,具有易挥发、有毒性、腐蚀性和不稳定等缺点,限制了流动电势在生物、医疗等领域内的应用,且系统为毫米/微米量级,无法应用于纳米尺度系统。作为目前被广泛研究的绿色新型材料,室温离子液体具有环境友好、对健康无害、高热稳定性、可设计性等优异性质,常被作为极端环境下非常优异的电解液,且由于其对环境和人体健康的危害性很小可被应用在基于纳机电系统的生物医学领域。此外,纳米级液滴表现出极强的表面效应,使得液滴表面增大,更加有利于流动电势的产生。因此,基于室温离子液体的流动电势可以应用于实现纳米级的自供能器件,使得在纳机电系统中实现生物分子传感和远距离遥控等成为可能。为了探究可应用于纳机电系统的自供电器件,本文首次提出采用极具效率的分子动力学模拟的方法研究纳米级室温离子液体液滴在单层石墨烯表面上运动产生流动电势的现象。根据对两种咪唑类室温离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的液滴在单层石墨烯片上运动过程的模拟,得出液滴中阴阳离子漂移速度随着液滴的运动速度均呈现出非线性的增长并最终达到饱和,这种现象与之前此类研究中观察到的现象是一致的,本文首次给予产生这一现象的解释是由于液滴所受外力与其自身受到的粘滞阻力达到了受力平衡,最终液滴保持了匀速运动。并且,与以往流动电势研究不同的是,我们在估算液滴移动过程中所产生的流动电压时不仅考虑到了阴离子的漂移速度,还将阳离子的漂移速度和库伦作用力的影响也都考虑进去,修正了以往研究中估算流动电势的公式,根据其估算本文中离子液体液滴在单层石墨烯片上运动时产生了可达微伏级大小的流动电势。最后,通过对比两种不同离子液体在不同温度下的模拟,发现温度越高或者离子液体粘度越小时,液滴中阴阳离子的漂移速度越大,导致产生的流动电势大,进一步说明,离子液体的粘度对流动电势的产生具有阻滞作用。本文基于室温离子液体的流动电势研究结果将对纳米自供能器件的发展具有重要应用意义,使得纳机电系统中实现医疗诊断、生物分子传感和远距离遥控等成为可能。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1

【相似文献】