碳纳米管中水分子微观特性的分子动力学模拟

发布时间：2019-10-30 05:38

【摘要】：本文运用分子动力学方法模拟了水分子受限于单壁碳纳米管（SWCNT）中时的结构和动力学行为。分别考察了三种常见的水分子模型（SPC/E、TIP4P、TIPS2）以及温度和孔径对水的结构及其聚集特性的影响，探究了水的结构及其扩散系数受电偶极矩和电四极矩的影响。研究结果显示：体相水的聚集特性因三种水分子模型的差异并没有表现出明显的不同，然而受限于碳纳米管中水的结构出现了明显的差异；电偶极矩对扩散系数起主要的作用，而电四极矩对水分子结构起主要的作用。管径相同时，随着温度的升高，水的有序化程度逐渐降低。结果表明，当碳管管径较小时，水分子大多聚集于管的中央轴线附近，然而在较大管径的碳管中，水分子大多聚集于管壁附近。沿着不同方向看，受限于不同管径中的水分子会呈现出不同的结构：垂直于管轴看，，水分子在SWCNT（6，6）中通过氢键形成单分子链，在SWCNT（7，7）中形成两条平行的水链；平行于管轴看，SWCNT（8，8）中出现了规则的四边形结构。 通过截取温度为300K时32个水分子受限于SWCNT（9，9）中时的几个连续模拟快照来探究水在碳管中的运动，发现水分子形成了水团簇，并且水团簇在碳管中周期性地做摩擦很小的滑动。为了探究短时间内分子传输运动的整体特征，计算了水分子的速度相关函数。发现速度相关函数具有震荡特性，然而由于水分子间以及水分子与碳原子间的震荡能够很快破坏速度的相关性，所以沿着管长方向的震荡衰退得非常快。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O613.71

【参考文献】

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本文编号：2553759