简单分子在分子筛和碳纳米管上扩散的分子动力学模拟

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本文运用分子动力学模拟的方法,对简单分子在分子筛和碳纳米管中的结构和扩散等动力学行为进行了研究。  首先,基于过渡态理论模拟研究了甲烷和正丁烷的单组分以及不同比例的二元混合物在空腔结构分子筛ITQ-3中的扩散,分别计算了单组分分子在y、z方向孔道中的自扩散系数和二元混合分子在各比例下的扩散行为,并通过分子投影在ITQ-3分子筛中x-y和x-z平面上的频率等值线图对出现的现象进行了解释。研究发现,在ITQ-3分子筛中,单组分CH4和C4H10随负载n的扩散表现出两种扩散模式:在z方向孔道中,当负载n增大时,自扩散系数也随着增大,当增大到一定数值时又开始减小;而在y方向孔道中,当负载n增大时,自扩散系数一直减小。而对CH4和C4H10混合分子在ITQ-3分子筛中的扩散研究表明,混合分子中CH4的扩散与原子总数相关:当负载n较小时,CH4的扩散系数在z方向和y方向孔道中都表现为随原子总数的增多而增大;当负载n较大时,CH4的扩散系数在z方向孔道中随原子总数的增多而减小,而在y方向孔道中,使z方向孔道发生堵塞效应而使CH4的扩散系数减小的原子总数在y方向孔道中依然处于过渡状态。  其次,采用分子动力学模拟的方法,研究了水在碳纳米管中的扩散行为,阐述了水在碳纳米管中扩散的传统计算的局限性并提出了水在碳纳米管中扩散的新的计算方法:根据碳纳米管中水以团簇作弹道运动的特点将其视为类布朗运动提出一种直接模拟计算纳米管中水的输运扩散系数的方法,这对理解限制在平滑孔道中的水之外的其他极性分子的扩散提供了一种新的视角。
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