【摘要】 将物质限制在纳米尺度上可能会导致在体系统中看不到的相变。

碳纳米管内壁修饰基团对受限水分子结构的影响

 

将物质限制在纳米尺度上可能会导致在体系统中看不到的相变。在水的情况下，由于水分子之间的强氢键作用，在这个尺度上会发生所谓的干燥转变，这会导致液体从非极性表面后退，形成一层蒸汽层，将本体相与表面分离。许多分子模拟研究采用碳纳米管（CNT）作为圆柱状孔道模型来研究受限作用对于水分子结构的影响。

 

Byl等[1]根据详细的原子级模拟，将3507 cm-1处实验观察到的红外模式分配给环间OH基团的振动。直接观察到纳米管中不寻常的氢键对其他高度受限系统（如生物通道和纳米多孔介质）中的水具有潜在的影响。水在纳米管内部采用叠层环结构，形成环内和环间氢键。环内氢键呈块状，而环间氢键相对较弱，具有扭曲的几何结构，从而产生明显的OH拉伸模式。

 

Hummer等[2]通过分子动力学模拟，显示了一维有序水分子链对非极性碳纳米管的自发和连续填充。虽然形成链的分子与周围的浴槽处于化学和热平衡，但他们观察到水通过纳米管的脉冲状传输。这些传输脉冲源于管内紧密的氢键网络，这确保了周围熔池中的密度波动导致沿管轴的协调快速运动。他们还发现，管壁和水之间的吸引力的微小降低会显著影响孔隙水合作用，导致在纳秒时间尺度上空态和填充态之间发生剧烈的双态转变。这些观察结果表明，具有刚性非极性结构的碳纳米管可能被用作水和质子的独特分子通道，其通道占有率和电导率可通过局部通道极性和溶剂条件的变化进行调节。

 

参考文献

[1] Byl O ,  Liu J ,  Wang Y , et al. Unusual hydrogen bonding in water-filled carbon nanotubes.[J]. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(37):12090.

[2] Hummer G ,  Rasaiah J C ,  Noworyta J P . Water conduction through the hydrophobic channel of a carbon nanotube[J]. Nature, 2001, 414(6860):188-190.

 

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