水和離子在納米孔道中的輸運行為研究.pdf

1、生物的新陳代謝過程涉及到許多關(guān)于溶液在納米尺度下的輸運現(xiàn)象。比如水孔蛋白中的水輸運現(xiàn)象,鉀孔道和鈉孔道中的離子輸運等等。針對這些現(xiàn)象開展的基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得了很多豐碩的成果。研究已經(jīng)證實了這些輸運行為與孔道本身存在的殘基和孔道的納米結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。例如:在水孔蛋白中,由于孔道中間存在的窄結(jié)構(gòu)的限制和其本身的殘基迫使水分子只能形成一條一維水鏈通過孔道。近幾年,生物孔道的這些有趣的輸運現(xiàn)象已經(jīng)引起越來越多學者地關(guān)注。相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應用研究也

2、在不斷地開展中。這其中就有運用分子動力學方法來研究復雜的生物納米孔道中的輸運行為。盡管這只是一項基礎(chǔ)的模擬研究,但實踐證明這項模擬研究已經(jīng)給生物孔道的科學研究和納米科技的發(fā)展帶來了很大的指引作用。因此我們認為本文所研究的水和離子在納米孔道中的輸運行為對人們認識生命系統(tǒng)中的孔道輸運以及納米輸運器件的研發(fā)同樣具有重要的意義。
　　 本文的主要工作如下:
　　 基于碳納米管開展的各類研究始于上世紀90年代納米管被發(fā)現(xiàn)以后。盡管

3、碳納米管出世很晚,但是對于它的發(fā)展卻可以用飛速來形容。當然,這其中也包括了納米管的計算機模擬研究。之所以納米管能夠用來當作輸運器件主要是因為納米管本身結(jié)構(gòu)簡單,而很多相應的輸運行為則與生物系統(tǒng)中的孔道有一定的類似。因此它被用來探索生物孔道中的一些特殊規(guī)律。本文,我們主要是運用了兩個模型來探究水和離子在納米尺度下的輸運行為。
　　 首先,我們已經(jīng)知道生物孔道中的窄結(jié)構(gòu)對水的輸運起到了重要的開關(guān)作用。然而這個現(xiàn)象到現(xiàn)在為止還沒有被研

4、究者們很好的解釋清楚。因此我們通過分子動力學模擬來嘗試著做進一步的解釋。我們的主要研究方法是通過給納米管(該納米管模型是直徑為8.1(A),長為14.8(A)的(6,6)單壁納米管)一個適當?shù)耐饬κ蛊洚a(chǎn)生一個形變從而形成一個類似生物管道中的窄結(jié)構(gòu)。從模擬結(jié)果中,我們發(fā)現(xiàn)當窄結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在納米管的中間區(qū)域時,凈流量是幾個模擬系統(tǒng)中最大的一種(除去對照系統(tǒng)即納米管沒有受到外力的系統(tǒng)),而一旦形變位置移出納米管的中間區(qū)域,相應的凈流量就會發(fā)生不同

5、程度的改變。值得注意的是,隨著形變位置的向外移動,流量出現(xiàn)不同程度地減小。盡管如此,凈流量并非單調(diào)減小。在距離管口2.5(A)處出現(xiàn)窄結(jié)構(gòu)時凈流量最小。經(jīng)過分析,我們發(fā)現(xiàn)流量的變化與水分子在管內(nèi)形成的碳水作用和水水作用有著密切的聯(lián)系。同時,在一定范圍內(nèi),我們發(fā)現(xiàn)凈流量與相互作用能壘幾乎成線性關(guān)系:能壘越高流量就小。這項工作對于人們研究納米孔道的拓撲結(jié)構(gòu)對輸運性質(zhì)的影響也許會很有幫助。同時也為人們設(shè)計更好的納米輸運器件提供了一種思路。