受限于碳纳米管中流体分子的结构和扩散的分子动力学模拟研究

自碳纳米管诞生以来，由于具有高杨氏模量、良好的导电性能和导热性以及独特的光学和流体输运性质，使它成为一类重要的纳米材料。现在分子动力学模拟在研究许多材料的动力学性质时是一个强大的工具，一般应用在物理、化学、力学、电磁学等多个领域。随着计算机技术的飞速发展，它也变成一种研究纳米级材料的最佳选择。在本文中，我们主要研究受限孔道中流体分子的微观结构和动态性质。我们选用的受限空间是碳纳米管，选用的受限流体分子是化学中经常用到的甲醇分子和水分子。在等温等压条件下，研究甲醇分子在不同管径的碳纳米管中的微观结构和扩散行为。甲醇分子的径向函数分布图显示，位于碳纳米管内部分子位置分布的有序性与管径的大小成正比。甲醇分子间的氢键和配位数与受限效应有直接关系。选用两种方法计算甲醇分子的扩散系数，结果显示它的扩散在扩散模式中属于Knudsen扩散。我们也研究了碳纳米管的管径与温度对受限于碳纳米管中的水分子的扩散的影响。结果显示，在相同温度的环境中，水分子的扩散系数随着管径的增大而增大。在较小管径的碳纳米管内，水分子之间在碳纳米管内由氢键相连接成链状结构聚集在管轴附近，然而在较大管径的碳纳米管中，水分子大多聚集在碳纳米管管壁附近。