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受限水分子逃逸特性的讨论

一、水分子在纳米管中的输运概述

背景（大环境）

纳米技术是一个新兴产业，继日本科学家Iijima研制出碳纳米管之后纳米科学技术飞快发展。新的纳米材料在高速电子和可再生能源的需求下不断出现，其中碳基纳米材料因其独特的结构和物理性能备受关注。

碳纳米材料由SP2杂画的石墨碳组成，存在于所有低维度结构中，包括零维富勒烯，一维碳纳米管以及二维石墨烯。

碳的同素异形体：富勒烯是石墨烯的零维模式，将富勒烯在一个维度上拉长就会逐渐接近碳纳米管（CNT）的结构。碳纳米管是具有高纵横比（即长度和直径之比）的单层或少数层状无缝柱面结构的石墨烯。单某某纳米管（分为扶手椅型、手性和锯齿型）（SWCNT）的结构、直径和电子类型是由手性矢量决定，而多壁碳纳米管（MWCNTs）则是由间距3.4Ao的具有同心壳的单某某碳纳米管嵌套而成。

碳纳米管的结构和性质：

单某某：结构以一对描述手性矢量的指数（n，m）标记。锯齿形m=0；扶手椅型n=m；其他状态被称为手性。

手性矢量（C=na1+ma2）决定碳管的直径和石墨烯的旋转方向。当n-m是三的倍数时，纳米管被描述为“金属”或高导电性的纳米管，否则就是半金属或半导体。对纳米管结构产生影响的物理量：

多壁纳米管：（1）俄罗斯套娃模型：一个碳纳米管里包含另一个纳米管

（2）羊皮纸模型：单个石墨烯层像纸卷轴一样围绕它本身卷裹很多圈形

多壁纳米管的外壁不仅可以屏蔽内层碳纳米管与外界物质的化学相互作用，也有着高抗拉强度的特性，单某某纳米管中不存在或者部分存在。

碳纳米管抗张抗拉强度很大，弹性出众，能承受高温。

纳米尺度水通道：

对于短碳纳米管，碳纳米管的极化对于限制在管内的水分子的偶极矩分布影响较小，证明了水—碳相互作用的简单非极化模型的可用性。

水分子在氮化硼纳米管中氮原子形成氢键会导致水扩散速度减慢，但氮化硼纳米管中的水性质类似于碳纳米管，因此也会有类似的应用。

不同的结构和几何形状确定了选择性和通量率

受限于碳纳米管中的水：

CNT内部的水分子平均键结合能较小，是一种弱束缚态，并且发现水分子的概率增加。

水在CNT中的运输速率将随着外加压降成比例地增加，在中速下是线性的，高速下是非线性的。

水在碳纳米管中输运的动力学行为主要取决于氢键在不同石墨纳米限制下的结构。可参照连续流或Hagen—Poiseuille流的形式。但目前对碳纳米管中的水的运输性质的清晰理解未完全实现，碳纳米管中的水运输的增强归因于纳米管的性能，这样CNT纳米限制下的水输运就可以被描述为若干一致地远离管壁运动的氢键分子线的平行行列。

一些实验验证的成果：

Kolesnikov等研究者利用中子散射法确定了碳纳米管内的水分子状态，在低温下观察到由平方晶格的水纳米管包围的单一纵列水线。Gogosti等人观察到了碳纳米管中的液体分子，为液体分子在室温下可以顺利地驻留在CNT内提供了直接的证据。

Kalra等研究者预言的水通量转换的流速对于目前的测量技术来说是极小的，因此需要在定向纳米碳管阵列外制造一个管汇装置，称为CNT薄膜。Hinds和他的同事们在内径6-7纳米的垂直定向多壁碳纳米管外制造横跨聚苯乙烯薄膜的CNT薄膜，称在较强的石墨纳米线之下的水的输运行为可以采用狭窄的碳纳米管的CNT膜进行测量。Bsksjin等人用MEMS兼容的精密加工过程来生产这种CNT膜，得到与MD模拟比较接近地结果。Fornasiero等研究者在CNT孔道入口处固定羧基组，将静电电荷附加到薄膜孔上，完成了电荷排斥机制。

MD模拟研究结果表明碳纳米管可用于单一纵列水传导 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。

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