水分子在碳纳米管内的扩散研究

赵毛太 李海龙 杨晓峰

（中北大学理学院物理系，山西 太原 030051）

0 引言

受限水对生物分子的结构和功能具有重要作用，近十年来人们对受限水的结构和动力学研究给予了很大的关注，研究表明受限水的热力学、动力学行为比体相流体水更复杂。本文通过分子动力学模拟的方法，对水分子在手扶椅型（8，8）、（9，9）、（10，10）碳纳米管的扩散进行了研究，通过水分子在不同温度，不同管径的碳纳米管内的结构来分析水分子在碳纳米管内扩散的机制。

1 模拟方法

1．1 势能模型

分子模拟使用了扩展简单点电荷模型(SPC/E)[3]，水分子和碳管之间的相互作用用Lennard-Jones（L-J）势能函数（又称6-12势）来描述[4]，即：

1．2 模拟细节

本文使用 Refson 等开发的 MOLDY 程序包[5]，采用（8，8）、（9，9）、（10，10）3 种扶手椅型碳纳米管， 直径分别为 1.085 nm、1.220 nm、1.356 nm，长度均为7.8 nm，管内分别放入16个水分子，短程范德华相互作用的截断半径为1.0 nm，运用Ewald求和法处理长程静电作用，采用NVT系综，用Maxwell-Boltzmann分布获得各分子及原子的初速。因水分子的转动惯量较小会发生高速旋转，积分时间步长取0.5 fs，采用较小的时间步长来保证运动方程求解的稳定性，模拟总步数140万步，前40万步使系统达到平衡，后100万步用来统计平均扩散系数，每隔100步保存一个研究体系的构象。

2 模拟结果

2．1 水分子在纳米碳管内的构型分布

图1显示的是本次模拟的结果，观察发现在300 K下(8，8)碳纳米管中水分子排列的很紧密，形成了规则的四元环结构，在碳纳米管中沿各个方向观察水分子的分布都很稳定，都呈现规则的四边形结构。这与Alberto Striolo的模拟结果是一致的。在200 K，100 K下水分子排列的有序度逐渐降低也没有规则的结构。同时在(9，9)、(10，10)型碳纳米管中水分子排列的都很紧密，但在300 k、200 k、100 k时都没有形成规则的结构，而且水分子分布的有序性也没有随着温度的降低而明显的降低。但是本文的模拟结果却显示随着温度的降低水分子在碳纳米管中的结构越不稳定。这种模拟结果的出现可能是由于受限于碳纳米管中的水呈现与体相水完全不同的特征。水既有类似液相时的分子自由度又有类似固体相下的对称结构。

图 1 分别为 100 k、200 k、300 k 时水分子在（8，8）、（9，9）、（10，10）型碳纳米管的构型分布

在本次的模拟中只在温度为300 K时(8，8)型碳纳米管中看到了规则的四边形结构,而其他科研工作者的模拟结果却与本次模拟结果相异，且他们的模拟结果也因人而异。R.JayMashl[6]人在温度为300 K下分别模拟了水分子在(5，5)、(6，6)、(7，7)、(8，8)、(9，9)、(10，10)(12，12)(16，16)型碳纳米管中水分子的结构分布，模拟结果显示只在（9，9）型碳纳米管中水分子形成了规则的六边形结构，在(8，8)型碳纳米管中没有看到规则的四边形结构。其他的科研人员在温度为300 K下分别模拟了水分子在(9，9)、(10，10)、(11，11)、(12，12)、(13，13)、(14，14)、(16，16)型碳纳米管中水分子的结构分布，模拟结果显示水分在(9，9)、(10，10)型碳纳米管中分别形成了规则的四边形和六边形结构。综合分析以上模拟结果的差异可能是由于科研人员各自所选择的力场参数，模型等的不同而带来的。

图 2 分别为在 100 k、200k、300k 时水分子在（8，8）、（9，9）、（10，10）型碳纳米管内的径向分布函数

2.2 碳纳米管中水分子的径向分布函数

图2分别代表在不同管径中和不同温度下水分子之间的O-O的径向分布函数图。由图可以看出随着碳纳米管管径的增大，径向分布函数所对应的波峰的峰位几乎不变，但是它所对应的峰值是逐渐增大的。

3 结论

通过比较不同管径和不同温度下水分子在碳纳米管中的结构，发现在300 K下，(8，8)型碳纳米管中形成了规则的四边形结构，在温度低于和高于300 K时水分子排列的有序度都降低且没有规则的结构。在 (9，9)、(10，10)的碳纳米管中温度为 100 K，200 K 和 300 K 时都没有规则的结构，且水分子排列的有序程度随着温度的升高有所降低。随着碳纳米管管径的增大，径向分布函数所对应的波峰的峰位几乎不变，但是它所对应的峰值是逐渐增大的。所以当增大碳纳米管的管径时，水分子位置的分布会更加随机，即水分子的受限效应会减弱，此时大部分的水分子会分布在碳纳米管的管壁附近。

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［5］Refson Keith.Moldy：A Portable Molecular Dynamics Simulation Program for Serial and Parallel Computers[J].Comput.Phys.Commun，2000，126(3)：310-329.

［6］R.Jay Mashl,Sony Joseph,N.R.Aluru and Eric Jakobsson.Anomalously Immobilized Water：A NewWater Phase Induced by Confinement in Nanotubes[J].Biophysical Journal.2003：589-592.