受限空间中水的定向输运与甲烷水合物性质研究

发布时间：2017-07-31 12:18

  本文关键词：受限空间中水的定向输运与甲烷水合物性质研究

  更多相关文章： 纳米水泵 碳纳米管 碳纳米技术 甲烷水合物 分子动力学模拟

【摘要】：近年来,芯片实验室技术(lab-on-a-chip),即能够对流体进行空间及时间上的精确操控和处理的微流控(microfluidic)技术,逐渐发展起来,由于它有巨大的应用潜力,得到了人们广泛的关注。在纳米技术高速发展的今天,器件集成度越来越高,但要实现在纳米尺度下对流体进行可控地驱动仍然十分困难。实现在纳米孔道中的流体输运是设计并应用纳米流体器件或纳米能量转换器等纳米器件的关键一步。随着实验技术的不断提高,人们已经可以对碳纳米管的直径大小在纳米尺度上进行控制,还能把碳纳米管制成规则的膜。由于碳纳米管的中空结构,尺寸可控,及优良的物理化学性质,它常被用作微流通道,被誉为研究物质受限在纳米空间中的行为的最好的“微型实验室”。不同领域的研究者们提出各种各样的纳米泵的新奇设想。在本文中,我们根据棘轮理论设计了一个基于碳纳米管的纳米水泵模型,并利用在碳纳米管壁偏离中点的位置施加一个周期性的机械振动来驱动纳米管中的水。我们用分子动力学模拟重点研究了在纳米管壁不同位置的机械振动对水泵中的定向流的影响,在受限分子水平上进一步研究了水分子以及定向流量的一些性质。另一方面,能源问题一直困扰着人类,传统的石化能源越用越少,可燃冰作为一种清洁新能源逐渐进入人们的视野。虽然可燃冰的概念提出很早,但对可燃冰的模拟研究是近十年兴起的,主要研究其成核过程。如果将可燃冰置于纳米空间中,并加上电场,它们会有怎么样不同的成核过程?这是我们论文后半部分讨论的内容。本文的全部内容如下：第一章 主要介绍了研究背景、模拟内容与模拟方法,包括关于纳米技术、纳米水泵和可燃冰的知识背景与一系列最前沿的研究现状。第二章 简略的介绍了分子动力学的基本概念,这其中包括本文主要采用的GROMACS软件的介绍,及分子动力学的发展简史、基本原理、运动方程的求解、势函数和力场、系综、周期性边界条件、分子动力学模拟流程及优劣势等。第三章 运用分子动力学方法,在GROMACS软件下,根据棘轮理论设计了一个基于碳纳米管的纳米水泵,通过在碳纳米管壁上施加机械振动来驱动纳米管中的水,重点研究了在纳米管壁不同位置的机械振动对水泵中的定向流的影响。第四章 建立一系列带不同电荷量的碳纳米平板,在240K温度下模拟甲烷水合物结冰,并研究其中甲烷分子与水分子的动力学性质,为可燃冰的研究与勘探提供理论支持。第五章 总结与展望,指出不足与改进之处。
【关键词】：纳米水泵 碳纳米管 碳纳米技术 甲烷水合物 分子动力学模拟
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O623.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 模拟内容11
• 1.3 模拟方法11-13
• 第二章 分子动力学简介13-26
• 2.1 分子动力学发展简史13-14
• 2.2 分子动力学基本原理14-15
• 2.3 粒子运动方程的求解15-17
• 2.3.1 Verlet算法的求解15-16
• 2.3.2 Leap-frog算法的求解16-17
• 2.4 模拟中的势函数与力场17-20
• 2.4.1 非键相互作用(Enobond)18-20
• 2.4.2 成键相互作用(Ebond)20
• 2.5 分子动力学的系综20-22
• 2.5.1 微正则系综(N,V,E)21
• 2.5.2 正则系综(N,V,T)21-22
• 2.5.3 等温等压系综(N,P,T)22
• 2.6 周期性边界条件22-23
• 2.7 分子动力学模拟流程23-24
• 2.8 分子动力学优势和限制24
• 2.9 GROMACS简介24-26
• 第三章 纳米水泵中的定向流26-32
• 3.1 引言26
• 3.2 系统构建与模拟方法26-28
• 3.3 结果与讨论28-31
• 3.4 小结31-32
• 第四章 受限电场条件下甲烷水合物的相变32-40
• 4.1 引言32-33
• 4.2 模型和主要参数33-35
• 4.3 模拟结果和讨论35-38
• 4.4 结论38-40
• 第五章 总结和展望40-41
• 参考文献41-44
• 硕士期间发表的论文44-45
• 致谢45-47

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本文编号：599111