碳納米管內(nèi)不同物質(zhì)填充的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、碳納米管自1991年問(wèn)世來(lái),以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能引起了全世界范圍內(nèi)的研究熱潮。一方面,由于具有優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及光學(xué)特性,碳納米管在納米復(fù)合材料、光電納米器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。另一方面,碳納米管獨(dú)特的一維中空結(jié)構(gòu),使得外來(lái)物質(zhì)的填充成為可能,并且通過(guò)填充賦予了碳納米管更加新奇的特性,從而開(kāi)辟了碳納米管研究及其應(yīng)用的一個(gè)全新領(lǐng)域。由于碳納米管尺度非常小,實(shí)驗(yàn)研究碳納米管的填充現(xiàn)象非常困難,因此,利用分子模擬技術(shù)研究碳納

2、米管具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文旨在利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究不同物質(zhì)在碳納米管內(nèi)的填充情況,對(duì)整個(gè)填充過(guò)程進(jìn)行描述并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行解釋,探索影響填充現(xiàn)象的因素,并提出一種基于碳納米管填充的納米釋放系統(tǒng)。
　　 首先,通過(guò)基于COMPASS力場(chǎng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了聚合物分子短鏈在碳納米管中的填充情況,主要研究了聚合物分子的極性和碳納米管的修飾基團(tuán)的極性對(duì)填充現(xiàn)象的影響。研究表明聚合物分子和碳納米管的修飾基團(tuán)的極性均對(duì)聚合物分子在碳納米

3、管中的填充有阻礙作用。一方面,通過(guò)比較聚乙烯,聚氯乙烯和聚乙烯醇分子在碳納米管中的填充情況,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)極性的聚合物分子如聚氯乙烯和聚乙烯醇分子不能填充進(jìn)碳納米管中,而非極性的聚乙烯分子則可以填充碳納米管。另一方面,研究了修飾在碳納米管外壁上的修飾基團(tuán)的極性對(duì)聚合物分子在碳納米管中的填充現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明帶苯環(huán)的聚苯乙烯和聚苯乙炔分子可以填充進(jìn)未修飾和非極性基團(tuán)修飾的碳納米管中,但是卻不能填充進(jìn)極性基團(tuán)修飾的碳納米管。
　　 其次,

4、通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬探索了聚合物分子長(zhǎng)鏈在碳納米管中的填充情況,并且研究了聚合物分子長(zhǎng)鏈在碳納米管腔內(nèi)形成的結(jié)構(gòu)及影響因素。模擬結(jié)果表明兩條聚乙炔分子鏈在范德華作用下可以填充到碳納米管腔內(nèi),并且在π-π堆積作用下自組裝形成類似DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。限域空間碳納米管的直徑對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)的形成有很大的影響,但是碳納米管的手性對(duì)雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成影響卻很小。此外,模擬發(fā)現(xiàn)單條聚乙炔分子鏈填充進(jìn)碳納米管不能形成完美的螺旋結(jié)構(gòu),隨后提出了一種促進(jìn)螺旋結(jié)

5、構(gòu)形成的方法,即在碳納米管腔內(nèi)添加水團(tuán)簇,水團(tuán)簇對(duì)單條聚乙炔分子長(zhǎng)鏈在碳納米管內(nèi)雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成有引導(dǎo)促進(jìn)作用。
　　 最后,通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法提出了一種基于碳納米管填充的納米釋放系統(tǒng),報(bào)道了一種新的方法來(lái)釋放碳納米管內(nèi)封裝的物質(zhì),即通過(guò)在碳納米管中填充新的物質(zhì)來(lái)占據(jù)碳納米管的腔內(nèi)空間,從而釋放碳納米管腔內(nèi)封裝的物質(zhì)。模擬結(jié)果表明碳納米管中封裝的分子如水、DNA或者藥物吲哚美辛分子都可以通過(guò)一個(gè)置換過(guò)程由碳納米管的新的填充

6、物(C60或者金屬納米線)釋放出來(lái),其主要原因是碳納米管和新的填充物之間的范德華結(jié)合能比碳納米管與封裝物質(zhì)之間的范德華結(jié)合能要強(qiáng)很多。為了定量反映這個(gè)釋放過(guò)程,計(jì)算了封裝分子(或置換分子)與碳納米管之間的質(zhì)心距離。更進(jìn)一步的,對(duì)各種能量的研究表明釋放過(guò)程是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程并且范德華力是整個(gè)釋放過(guò)程的主導(dǎo)作用力。最后,討論了幾個(gè)影響釋放過(guò)程的因素,例如碳納米管的直徑、長(zhǎng)度。
　　 本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的結(jié)論從微觀上為碳納米管在