论文总字数：26351字

摘 要

随着纳米科学的不断深入，利用纳米通道进行生物大分子检测得到了广泛利用。由于存在外部电场和纳米通道壁面的电渗现象，电解质溶液流动特性会直接影响大分子运输行为，因此讨论带电纳米通道内电解质溶液的流动机理具有科研意义。

分子动力学 (MD) 方法可以模拟具有较小尺寸（∼ nm）的纳米系统，而且MD模拟能用适当的力场来描述原子尺度下的粒子运动。通过对原子电位的分析，MD模拟不仅给出了离子电流、离子扩散系数和水流速度等各种物理特性的定量结果，而且还揭示了纳米流体在原子尺度上的微观机制。本课题使用GROMACS软件，对带电纳米通道中电解质溶液的离子分布特性以及外加电场下的流动特性进行MD模拟和分析。

首先构建了氟化硅的圆通道纳米孔模型及盒子，盒子的尺寸为：13.90nm×13.90nm×27.00nm（），圆通道位于几何中心，通道半径为5.26nm，纵向长度为14.95nm。然后向盒子中填充粗粒化的极性水分子、和。

模拟结果表明，流体在进入纳米通道时，流动阻力会增大，从而阻碍水分子的进入，导致纳米通道中水的密度小于其在通道以外的密度。在纳米通道的径向，由于受到壁面的影响，水分子数密度在壁面附近明显不同于通道中部。在最贴近通道壁面处不存在粒子分布，而距离增大后会形成水分子的密度很大的致密层。在通道中部的水分子数密度趋于平稳。离子分布也会出现类似的分层现象。至于外加电场下的流体的流动特性，带电纳米通道内水的速度分布不同于传统的电渗流流动特性。在通道中部，流体速度为负值，即表示沿电场反方向运动；而在壁面附近，速度是朝电场方向。

关键词：纳米通道；分子动力学；粗粒化；模拟

Molecular Dynamics Simulation of the Flow Characteristics of Electrolyte Solution in a Charged Nano-channel

03014112 Wang Yu

Supervised by Guo Hongwei

Abstract：

With the further development of nanometer science, the use of nano-channels to detect biological macromolecules has been widely used. The flow of electrolyte solution has a direct influence on the behavior of macromolecular transport due to the external electric field and electro-osmosis flow, so it is of scientific significance to discuss the flow mechanism of electrolyte solution in the charged nano-channel.

The molecular dynamics (MD) method can simulate a small size (∼nm) nano-system, and MD simulations can use the appropriate force field to describe particle motion under atomic scale. By analyzing the atomic potential, MD simulation not only gives the quantitative results of the ionic currents, ion diffusion coefficients and flow velocities, but also reveals the microscopic mechanism of the nano-fluids on the atomic scale. This paper uses GROMACS software to simulate and analyze the ionic distribution of electrolyte solution in a charged nano-channel and the flow characteristics in an applied electric field.

Firstly, the model and box of the circular channel nano-pore of fluorinated silicon are constructed, the size of the box is: 13.90nm×13.90nm×27.00nm (Lx : Ly : Lz ), the circular channel is in the geometric center. The channel radius is 5.26nm and the longitudinal length is 14.95nm. Then fill the box with coarse-grained polar water molecules, and .

The simulation results show that the flow resistance increases when the fluid enters the nano-channel, which hinders the water molecule from entering, resulting in the density of the water in the nanometer channel less than the density of the channel. In the radial direction of the nanometer channel, the water molecular density is significantly different from the middle of the channel due to the influence of the wall surface. There is no particle distribution at the most close to the wall of the channel, and when the distance increases, the dense layer of water molecule is formed. The density of water molecules in the middle of the channel tends to be stable. Similar stratification occurs in the distribution of ions. As for the flow characteristic of the fluid in the electric field, the velocity distribution of the water in the charged nano-channel is different from that of the traditional flow characteristics. In the middle of the channel, the velocity of the fluid is negative, which means the opposite direction of the electric field, while the velocity is toward the electric field near the wall.

KEY WORDS: nano-channels; the molecular dynamics; coarse-grained; simulate

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3主要研究内容 3

第二章 分子动力学理论 4

2.1分子动力学简介 4

2.1.1发展历史 4

2.1.2基本思想与基本原理 4

2.2算法 5

2.2.1初始条件及能量最小化 5

2.2.2积分算法 6

2.3相互作用 7

2.3.1取向力 7

2.3.2诱导力 9

2.3.3色散力 10

2.3.4短程排斥力 10

2.4势能函数模型 11

2.5分子动力学的系综 12

2.5.1正则系综 12

2.5.2微正则系综 12

2.5.3等温等压系综 12

2.5.4等压等焓系综 13

2.6系综的控温与控压 13

2.6.1温度耦合 13

2.6.2压力耦合 13

2.7宏观参量的统计平均 14

2.8 MD模拟的主要步骤 15

第三章 纳米通道内电解质溶液流动特性模拟 16

3.1模拟初始构型的搭建 16

3.1.1纳米孔模型 16

3.1.2电解质溶液模型 17

3.2模拟过程 18

3.2.1能量最小化 18

3.2.2 NVE平衡 19

3.2.3 NVT平衡 20

3.2.4成品MD模拟 20

3.3模拟结果分析 21

3.3.1水密度分布 21

3.3.2离子分布 22

3.3.3流体速度分布 23

3.3.4水的均方位移MSD 24

第四章 结论与展望 26

4.1结论 26

4.2展望 26

致谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

工业革命以后，人类文明，尤其是科技文明呈现指数性的爆炸式飞速发展。随着计算机革命的兴起，人们研究问题的尺度也越来越细小，从传统尺度（人们能够感知的时间和空间尺度）到微米尺度，再甚至到纳米尺度。研究尺度的减小，使得微型化和集成化成为科技发展的潮流。同时，微型化与集成化又大大促进了计算机建模及模拟实验的发展。在微型化技术中，微、纳尺度流体的流动及传热传质现象的研究正是微型化技术中的重要组成部分，而对纳米尺度流体的研究如今已经成为炙手可热的一个热点问题。

基于连续介质假设的传统的流体力学不考虑粒子之间的间隔和空隙。随着通道尺寸的减小，表面积与体积之比逐渐增大，比如在微流体器件中，面体比可达百万倍之大，这使得在传统尺度下不占主导地位的表面力大大地被突出。通道内表面特性对通道内流体流动特性的影响逐渐增大。宏观尺度下的连续介质理论不一定适合于微尺度下的流体。甚者，已不再适用于纳米级流体。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26351字