项目背景
众所周知，水是生命之源,而生物体是由无数的细胞组成，那么水分子是以什么样的输运机制通过细胞膜并参与各项生命活动呢？这个问题亟待解决，由于生物膜的复杂性和现在科学技术的限制，人们无法得到准确的输运机制，但是随着纳米技术的发展，研究那些结构简单和可控的纳米通道受到了科学家们的青睐。所以我们可以通过研究水在碳纳米管中的输运，来研究水在生物膜输运中最基本的性质。现在碳纳米管已经引起人们越来越多的关注。2002年Sumio Lijima[1]介绍了碳纳米管纳米结构具有独特的性质。以及简要概述了早期关于碳纳米管的研究，得出碳纳米管在生活中具有重要的研究价值。2001年Gerhard Hummer等人[2]采用分子动力学模拟发现，水分子可以在单壁碳纳米管中快速输运。后来，许多实验结果证实了这一结果。近年来，实验和理论研究同时表明，束缚在碳纳米管内的水分子可以产生许多有趣的而在本体水中不会出现的结构和行为，如水在有限空间的单链结构、Fickian扩散以及水分子在某个因素影响下在纳米管道中的超快输运的研究[3-11]。虽然这方面的研究已经得到一定的成果，但还需要我们不断地去探索和完善。
随着纳米技术的发展，一些纳米载体分子在生物医疗方面得到了极大的应用。纳米载体拥有广泛的潜在应用价值，但是这些载体也面临着能源方面的问题。如何在通道输运中将其它形式的能量转化为载体的稳定动能，以此获得稳定的能源泵。而通过对水在纳米通道的输运性质的研究。发现可以将水分子这个载体制作成为一个纳米水泵，来提供动能。如有人[9]已经通过计算机模拟的方法成功得到一个纳米驱动水泵。说明水在碳纳米管中的输送性质对未来生物纳米制药有很大的帮助，研究前景比较好。
通过这段时间的文献调研，在过去的十年中，许多的科学家花费大量的精力在研究：在一些因素的影响下，水分子通过碳纳米管的性质。取得了很多非常不错的研究成果。这些因素如碳纳米管道的尺寸[12]、体系温度[6]、体系压强[7]、附加电场[8]。这些都可以有效的控制水的输运速度。这些都进一步完善和补充了纳米材料和粒子的动力学和热力学知识。但还有许多的问题没有解答。这些都需要我们后来者继续去探索。
关键词 碳纳米管 水分子 输运 纳米 分子动力学
文献综述
高通量纳米流体装置在许多领域都是理想的，例如海水淡化，二氧化碳过滤，药物输送，生物传感器。理论计算和实验证明，碳纳米管是主要的纳米流体通道，传输速率快，选择性高，具有广阔的应用前景。测量得到的碳纳米管中压力驱动的水流比哈根-泊肃叶预测的大2到5个数量级。高流速与独特的碳纳米管性能有关，如纳米级直径和超光滑疏水表面。实际上，主要原因是水-碳边界[13、14]处的高水分滑动，这取决于碳纳米管的直径。
实验结果表明，与经典连续介质流体力学模型在宏观尺度上的计算结果相比，通过碳纳米管的水流可达到10000倍。因此，使用碳纳米管进行海水淡化或污水过滤所需的能量应该大大低于传统纳米材料。为了实现超高的水通量，节能脱盐膜，例如碳纳米管基膜已经在进行了广泛的研究。尽管已经做出了很大努力，但是对于高通量器件，仍在不断寻求更多不同的策略，因为这些策略对于现有技术来说仍然是一个挑战。
从单层水结构到多层，最近的实验和模拟观察到不同直径碳纳米管内部的各种水结构。尤其是，穿过(6，6)碳纳米管的水分子将形成具有独特动力学、偶极取向和波状图密度分布的单列排列，类似于在生物蛋白质通道中发现的那些结构。单列水传输行为对许多参数或条件敏感，例如碳纳米管附近的电荷、碳纳米管变形程度、电场和其方向，温度，碳纳米管长度以及界面纳米粒子。这些模拟研究极大地增强了我们对通过狭窄碳纳米管的单列水传输的了解。此外，当电荷在碳纳米管附近振动或者碳纳米管本身在振动时，由于单列水链的破裂，水流可以增强。显然，如果碳纳米管氢键完全结合，单列水链必须在碳纳米管内部集体移动；而氢键的断裂会导致类似蒸气的相出现，水分子会快速通过碳纳米管。对于简单的雷纳德-琼斯(LJ)液体，我们先前的工作通过改变液体-通道相互作用发现了一个在集体区域之外类似的超快传输现象。因此，中断单排水链的集体运动应该是加快水通量的有效策略。然而，在实验可行的范围内朝着这个方向发展一个新的装置仍然是一个挑战。
研究方法
运用Gromacs软件的使用以及Fortran程序编写程序，模拟水分子在纳米尺度下的碳纳米管内的输运。
观察压力方向，温度，电场方向等因素对水分子输运宏观的影响，并观察对水链状态，碳纳米管的状态水偶极子方向等微观方面的影响来推出水分子在纳米尺度下输运的根本机制。
预期成果
万字论文一篇
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
