温度梯度驱动下微孔中氩的输运行为的分子模拟

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微孔中的纳米粒子可以由电泳力、渗透作用、表面张力梯度、压力梯度、热泳力等来驱动。其中,由温度梯度引起的纳米粒子的质量传递,即热泳,热扩散或者索瑞特效应,为研究微孔中纳米粒子的操作和分析提供了新的思路,有望应用于纳米泵、分子发动机、纳米注射器中药物的输运等。研究纳米尺度的运动规律对于纳米器件的设计和优化具有非常重要的指导意义。碳纳米管由于其独特的结构和性质,在纳机电系统(Nanoelectromechanical systems, NEMS)应用中具有很好的应用前景,也为研究微小空间内纳米粒子的各类性质提供了一个理想的纳米孔模型。因此,在近年来纳米粒了在碳纳米管的热扩散引起了研究者的广泛关注。利用计算机分子模拟进行研究,克服了纳米器件尺寸特殊性,并可以观察在分子尺度上发生的微观细节以及多种影响因素的综合效应。计算机分子模拟成为了除实验手段外有力的研究工具,显示了很大的优势。木论文主要利用分子动力学模拟研究了氯在狭缝和碳纳米管中温度梯度驱动下的输运性质。在狭缝中,采用了恒定热流法和恒定温差法设置体系的温度梯度,并对其结果进行比较。在碳纳米管中,研究内容围绕温度梯度、氩的密度、碳纳米管的管径、平均温度对氩的动力学性质和结构分布性质的影响。主要结论包括:1.当使用恒定热流法形成冷热交替的温度梯度时,x,y,z三个方向具有几乎相同的扩散行为,并且随着温度梯度的增加而保持不变。当使用恒定温差法形成非周期性的温度梯度,氩的重心向冷端迁移,最后震荡达到稳定状态,在z轴呈现出不均匀的分布。x,y方向具有几乎等同的自由扩散行为,与z方向相比占有很大的优势。2.温度梯度和浓度梯度的竞争引起氩在碳纳米管中的反常的输运行为。3.在动力学性质方面,氩的最大速度和温度梯度成正比。然而,随着氩的密度的增加,最大速度减小。如果平均温度足够低,由于团簇的出现导致了氩的速度表现出一定的特殊性。4.在结构分布上,随着温度梯度的增加、氩的密度减小、平均温度的减小,氩在碳纳米管中的不均匀分布变得更加明显。然而,相对于其他影响因素,碳纳米管的管径对氩在碳纳米管中输运的动力学性质和结构分布有弱的影响。
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