毕业论文课题相关文献综述

近年来，膜技术发展迅速，在电力、冶金、石油石化、医药、食品、市政工程、污水回用及海水淡化等领域得到较为广泛的应用，各类工程对膜技术及其装备的需求量更是增加。然而膜技术的快速发展却未能满足人类在效率、成本和功能上所期待的目标，尤其是在分离效率和能耗方面与生物离子通道相比是相差甚远。

细胞是通过细胞膜与外界隔离的,在细胞膜上有很多离子通道,细胞通过这些通道与外界进行离子交换。离子通道在许多细胞活动中都起关键作用,它是生物电活动的基础,在细胞内和细胞间信号传递中起着重要作用。离子通道通过调控细胞内pH值和离子浓度来维持正常的细胞体积及细胞内生物分子活性所需的离子浓度范围。特别是通过改变作为第二信使的钙离子浓度,来调控各种生化过程。生命的很多过程如发育、生长、分泌、兴奋、运动,甚至于学习和记忆都与离子通道功能的正常发挥有直接联系。

氯离子通道是生物体内一类重要的阴离子通道，具有许多重要的生理功能，比如容积调节性氯通道在细胞的容量调节、增值分化与细胞凋亡等过程起到了重要的作用，因此，近些年，氯离子仿生离子通道越来越受到人们的关注。然而离子水化的状态能够影响离子在纳米孔道内的稳定性及传递性。在生物活动和化学过程中都在存在离子水化并起着关键的作用，其规律是十分重要的^[1。2]。近些年的研究发现 ，由于空间尺度效应和在纳米尺度下各向异性的相互作用 ，流体在纳米管道中体现出不同于体相中的性质^[3-5] 。例如在管径为 2 nm 的纳米管道组成的薄膜中，水分子表现出超快的流速^[3]．容易推测 ，在纳米管道中离子的水化作用也可能有自己不同于体相中的特征。近几年的相关研究表明，纳米管道的性质如温度^[6]和管道半径^[7]，对管道中离子的水化作用会产生一定的影响，不同离子水化作用所受到的影响不同，这些不同的影响被认为是纳米管道对不同离子的选择存在能力差异而引起的^[6.7]。

除此之外，离子周围的水分子是极性分子，因此会被受限环境、官能团和电场等因素影响。众所周知，生物细胞中存在着控制不同离子通透的重要跨膜蛋白通道离子通道，它由带电残基组成，可以有选择地让特定的离子通过，这对实现细胞功能起着关键的作用。离子和其周围水分子的相互作用也和水分子的偶极取向分布有紧密的联系。当存在外加电场时，外加电场与离子产生的电场的竞争作用成为决定水分子偶极取向的重要因素，并且该取向也会随着外加电场强度的变化而变化。因此，外加电场会导致与不加电场条件下不一样的水分子偶极分布，从而使得离子与水分子之间的相互作用能发生变化。换句话说，我们认为外加电场能够改变纳米管对离子的选择性。

碳纳米管 1991 年被发现以来^[8] ，以其独一无二的且极具发展潜力的结构、电学和机械特性而备受瞩目^[9]。碳纳米管具有机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,以及特殊的机械、物理、化学性能,在工程材料、催化、吸附分离、储能器件电极材料等诸多领域得到了广泛应用，其也是分子模拟研究流体行为的最佳孔道模型。

碳纳米管中碳原子以sp2 杂化为主,与相邻的3个碳原子相连,形成六角形网格结构,但此六角形网格结构会产生一定的弯曲,可形成一定的 sp3杂化键。

碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成,卷曲时石墨片层中保持不变的六边形网格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹角即螺旋角.当螺旋角为零时,碳纳米管中的网格不产生螺旋而不具有手性,称之为锯齿型碳纳米管或扶手型碳纳米管;当碳纳米管中的网格产生螺旋现象而具有手性时,称为螺旋型碳纳米管。随着直径与螺旋角的不同,碳纳米管可表现出金属性或半导体性。

2001 年，Hummer 等^[10]通过分子动力学模拟研究了水分子在直径为 0.80 nm 的（6, 6）碳纳米管内的流动行为。研究结果表明水分子不但可以进入憎水的碳 纳米管中，而且形成了一条稳定的由氢键相连的水分子纵列（single-file）结构， 其在管内以 single-file 的形式间歇地进行快速的传递。计算得到的水分子流量约 是体相中水分子流量的 40 倍。这预示了以碳纳米管为材料的纳米流体器件将会 有优异的表现。实验上，2006 年，Holt 等人^[11]将直径小于 2.0 nm 的碳纳米管作 为膜的孔道，研究水和气体分子的通过情况。他们发现水和气体分子在碳纳米管 膜中的传递通量要比商业化的大孔径聚碳酸酯膜的通量大好几个数量级。

纳米尺度的中空管状碳纳米结构,为研究纳米孔道中流体的流动行为提供了理想的实验平台。研究者已经通过对碳管内流体行为的研究发现了不少与生物通道相似的现象，并且也发现碳纳米管作为膜材料在实际应用中也有巨大的潜质。

随着计算机模拟技术的发展,使实验上尚无法获得或很难获得的大量重要信息的获取成为可能,虽不能完全代替实验但为科研工作者们提供了重要的参考、指导实验、验证某些理论假设,降低试验的盲目性、成本低廉广等,其中特别是分子动力学模拟在各个学科中都有着广泛而重要的应用.分子动力学模拟(moleculardynamicssimulation,MD)^[12]是在评估和预测材料结构和性质方面模拟原子和分子的一种物质微观领域的重要模拟方法,通过计算机对原子核和电子所构成的多体体系中的微观粒子之间相互作用和运动进行模拟,在此期间把每一原子核视为在全部其他的原子核和电子所构成的经验势场的作用下按照牛顿定律进行运动,进而得到体系中粒子的运动轨迹,再按照统计物理的方法计算得出物质的结构和性质等宏观性能.简而言之即是应用力场及根据牛顿运动力学原理所发展的一种计算机模拟方法。