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基于碳纳米管的流体器件设计

陈航燕  
【摘要】:随着实验技术的不断发展,合成或制备各种基于碳纳米管的复杂结构正在成为现实,这不仅为研究复杂纳米结构的物性提供了可能,同时为设计各种纳米器件带来了希望。本文采用分子动力学模拟方法,研究了一系列碳纳米管分子结的结构和相关物性,探讨了这些新型分子结作为纳米器件的可能性,设计出了流体阀门、分子筛、纳米储氢罐等纳米流体器件。 一、通过构造结构不同的碳纳米管分子结,获得了形成分子结的基本关系,计算了碳纳米管分子结内C60的运动势垒,我们获得了在这些分子结中吸附能的变化规律。其中,形成碳纳米管分子结的碳纳米管半径是导致C60势能曲线不同的主因。“帽”型碳纳米管中,当管径大于(21,0)时,C60在管口附近具有两个平衡位置。在“Ⅰ”型管中,主管半径大于(21,0)时,C60在两管相接处也具有两个平衡位置。在“T”型管中,主管和支管管径相差越小,C60在两管相接处的能量越低。“十字”型管中,我们也发现了类似于“T”型管中的规律。此外,不同的碳纳米管分子结,由于其结构以及C60所具有的稳定位置的不同,可以用于设计不同种类的流体阀门器件。 二、在由主管(12,12)分别和支管(6,6)及(12,0)所组成的“Ⅰ”型碳纳米管分子结中,C60在两管相接处有两个稳定位置A和B。采用分子动力学模拟方法,通过控制C60周围流体的压强差,我们测试了流体在碳纳米管分子结内的流动行为。C60和管壁间的弱范德华力,使其能够在流体压强差改变时,分别处于管内的两个稳定位置,关闭或打开阀门中流体的流动。从而形成仅由流体自身压强操控的纳米流体阀。 三、基于由(20,0)和(5,5)型碳纳米管组成的碳纳米管分子结和C60分子,我们设计了一种用于筛选氢分子的分子筛。C60和管壁之间所形成的通道,是一个尺寸可变的通道。它能够使氢分子自由通过,而阻碍其它气体分子(氩和氩)的流通。研究表明,筛选的主要机制在于氢自身以及和其它分子间的弱排斥相互作用以及尺寸可变通道的存在。 四、利用C60和“帽”型碳纳米管,我们设计了一种球阀结构—压强驱动下用于液态气体存储的阀门。C60和“帽”型碳纳米管顶端碳原子间的弱范德华相互作用,就好像“弹簧”一样牢牢抓住C60,使之在管端的吸附能达到1eV。通过球阀周围或内部体积的变化,可以推动C60,使其堵住阀门口的液体,阻止已储存在球阀内流体的扩散。据估计,这样的球阀结构能承受的内压在40GPa。 五、通过在碳纳米管管端引入具有亲水作用的羧基基团,并利用管口的亲水基团吸附一定量的冰,从而实现封堵管口的作用。这样一种设计也可以用作纳米罐,我们称之为:水阀。低温下,无定形的冰结构聚集在碳纳米管管端,并阻碍的储存在管内的氢分子的扩散。分子动力学模拟表明,在(12,12)管和(15,15)管所组成的水阀中,当水阀内外压强均为零时,氢分子的扩散势垒可以达到0.85eV及0.67eV。储氢能力的差别主要在于管端羧基基团附近,水分子致密度所引起的。


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