碳纳米管吸附特性的分子模拟研究

碳纳米管是一种重要的一维纳米材料,具有许多独特的力学、电学和化学性质。碳纳米管的吸附特性一直是碳纳米管领域研究的一个热点。碳纳米管特性的分子模拟研究主要有2种方法,一种是密度泛函理论方法,另一种是分子动力学模拟方法。该研究对碳纳米管的结构特征进行了介绍,重点对碳纳米管吸附特性的密度泛函理论研究和分子动力学模拟研究进展进行了综述,同时简要介绍了密度泛函理论和分子动力学模拟这2种分子模拟,展望了分子模拟研究方法在碳纳米管吸附特性研究方面的发展方向。     

碳纳米管的振动研究进展

综述了近年来碳纳米管的振动特性的理论数值方法研究进展,着重介绍了基于经典连续体理论、分子结构力学/原子有限元以及基于原子研究的分子动力学等方法研究单、多壁碳纳米管振动特性的现状。     

硼氮共掺杂碳纳米管水分子内表面吸附电子特性研究

基于第一性原理的密度泛函理论,通过迭代求解密度泛函理论近似的薛定谔方程,计算硼氮共掺杂碳纳米管体系的总能,得到了体系的几何结构和电子结构,并研究了硼氮共掺杂碳纳米管的水分子内表面吸附3种位型的吸附特性。结果表明,不论水分子初始位置如何,都将吸附在一个特定的位型上。此外,水分子吸附在体系的能隙中引入一个强局域性的吸附杂质带,导致体系的范霍夫奇异峰值发生变化,这对体系的输运和光学性能产生不可忽视的影响。     

（BN）2C4纳米管的电子态和电学性质

采用ROHF对（BN）2C4纳米管进行构型全优化,并用密度泛函理论的DFT/ROB3LYP方法计算了（BN）2C4纳米管的电子态分布.根据其前沿分子轨道能量数据、电子态分布曲线和成键电子云密度分布图形,研究讨论了掺入硼氮对碳纳米管导电性的影响,并与BNC2纳米管作了比较.结果表明：（BN）2C4纳米管具有掺杂窄带半导体的导电性.     

毒死蜱在硅(110)晶面吸附的分子动力学模拟

为了研究利用硅微传感器检测农药——毒死蜱,基于分子动力学模拟方法,采用Materials studio软件进行研究,模拟真空环境和水环境中硅(110)晶面对毒死蜱分子的吸附过程,计算出了吸附能和吸附性能等。结果表明:水环境中毒死蜱和硅晶面的吸附能小于真空环境下的吸附能,其中毒死蜱与水分子的疏水作用能为吸附能变化的主要影响因素;水环境下最终吸附平衡构型中,分子并不完全吸附于基底,模拟温度在288 K、模拟时长在600 ps时,被吸附农药的分子量最多;毒死蜱分子距离硅晶面越近,被吸附的分子量越多。研究表明,在实际农药检测工作中,288、298、308 K温度下硅微传感器检测农药毒死蜱浓度的结果需要对应不同的浓度限值,即0.030、0.020、0.027 mg·L^-1。     

金属离子-质膜相互作用的分子动力学模拟研究

为研究植物根表质膜与土壤溶液界面上的双电层结构对金属离子在质膜上吸附以及吸收的影响,从分子水平探讨质膜表面电势下金属离子与质膜的相互作用,建立了质膜与金属溶液的界面模型,采用分子动力学方法模拟了质膜界面K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)等碱/碱土金属阳离子与Cu~(2+)、Cd~(2+)等重金属离子的结合与分布过程。通过对吸附构型、浓度分布等统计分析,发现阳离子在质膜表面主要与质膜头部的羰基和磷酸基团等极性基团结合;二价阳离子吸附作用比一价阳离子更为强烈,并造成质膜表面电势的反转,直接控制着扩散层中离子的分布特征。分子动力学模拟结果与描述界面双电层结构的Gouy-Chapman-Stern(GCS)经典理论很好地吻合,可以从分子水平预测和解释金属阳离子与质膜相互作用的动态过程。     

甲醇、CO和水在Pt（111）表面吸附的理论研究

基于第一性原理的密度泛函理论,利用密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法,并使用MaterimalsStudio4.0软件中的Dmol 34.0程序包来模拟甲醇、CO、水在Pt(111)表面的吸附反应,计算出各位点的吸附能、态密度以及能带分析图.     

续随子醇L713,283二萜类化合物溶液构象的分子模拟

将续随子醇L713,283二萜类化合物放入甲醇和氯仿两种不同极性的溶液中,分别进行长时间的分子动力学模拟.结果表明,续随子醇L713,283二萜类化合物在氯仿溶液中更稳定,构象波动幅度更小;续随子醇L713,283二萜类化合物五元环和十一元环侧链上的O71及O15与甲醇羟基所形成的较稳定氢键是其易溶于含氧有机溶剂的重要驱动力.基于续随子醇L713,283二萜类化合物在氯仿溶液中的3个代表性构象,用密度泛函理论优化获得它们的稳定构象、静电势电荷及键参数.模拟结果与试验吻合较好,为基于配体结构的药物分子设计提供了理论基础.     

甲烷高温热解制备乙炔的理论研究

通过密度泛函理论和反应力场分子动力学模拟,探讨了甲烷(CH₄)在不同温度和压强下热解到乙炔(C₂H₂)的过程.结果表明,高温低压有利于该转化过程.热解的最佳温度是1 800 K,最优压强是70～80 kPa.在高温下通过分子动力学模拟观察到：C₂H₂的主要形成源自C₂H₃的解离脱氢和C₃H₅的C—C键断裂,主要消耗在C₂H₂自身的吸氢,以及与CH₃和CH₂自由基的碰撞;同时也发现了一些新的反应途径.     

[Fe(CH3bipy)(NCS)2]2bpym及其相关配合物光电性质的理论研究

以密度泛函和含时密度泛函为理论基础,通过Gaussion03程序,应用密度泛函中的B3LYP方法,在6-31G(d)基组下,对[Fe(CH3bipy)(NCS)2]2bpym及其相关配合物的电子结构、光谱性质进行了系统的量子化学理论研究,比较了配合物的几何构型、红外光谱和前线分子轨道。该研究可以对有关铁为中心金属离子的具有较好发光性质的配合物的开发与利用有一定的促进作用。     

双空位缺陷对金属性碳纳米管量子电子学特性的影响研究

采用第一性原理的密度泛函理论计算方法,研究了2种不同分布的双原子空位缺陷(平行于管轴和斜交于管轴)对金属型(12,0)碳纳米管量子电子特性的影响。研究结果表明,平行于管轴的五边形-八边形-五边形(5-8-5)缺陷的转变能是最小的,是最稳定的缺陷结构分布;平行于管轴的5-8-5缺陷和斜交于管轴5-8-5缺陷都在价带部分引入了出现2个电子背散射中心,这对电子输运非常不利;斜交于管轴5-8-5缺陷比平行于管轴5-8-5缺陷对电导的抑制作用更大,这是由于斜交于管轴5-8-5缺陷破环了碳纳米管的轴向对称性。     

DNA-templated carbon nanotube field-effect transistor

The combination of their electronic properties and dimensions makes carbon nanotubes ideal building blocks for molecular electronics. However, the advancement of carbon nanotube-based electronics requires assembly strategies that allow their precise localization and interconnection. Using a scheme based on recognition between molecular building blocks, we report the realization of a self-assembled carbon nanotube field-effect transistor operating at room temperature. A DNA scaffold molecule provides the address for precise localization of a semiconducting single-wall carbon nanotube as well as the template for the extended metallic wires contacting it.     

含茂铁基三联吡啶配合物的光电性质理论研究

密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)计算被应用于二茂铁基三联吡啶体系结构和性质的计算。采用B3LYP方法,6-31G(d)基组进行理论计算。二茂铁基三联吡啶体系展现出良好的光化学、光物理、电化学、电子转移、能量转移等方面的性质。这对这一系列发光材料的合成具有指导意义。     

玉米秸秆制备活性炭的吸附性能研究

[目的]研究玉米秸秆制备活性炭的吸附性能。[方法]以玉米秸秆制备的粒状活性炭为研究对象,搭建了吸附性能模拟试验装置,采用静态重量法测试制备的活性炭对甲醇的吸附能力,并研究吸附床结构、吸附床内盛装粒径不同炭粒、活性炭中添加不同量的石墨粉以及改性活性炭等对系统吸附性能的影响。[结果]床内盛装同种试样炭料在同一吸附温度下,新型吸附床A(内置膜片式刺孔吸附质管)的吸附性能明显优于未进行结构改进的吸附床B,达到相同吸附量0.22 g/g时,A床吸附提前5 min;床内盛装不同粒径与同一粒径活性炭的对比试验,在同一吸附温度下,其吸附性能明显优于盛装同一粒径的,达到同一吸附量0.22 g/g时,吸附提前16 min;床内活性炭添加适量石墨粉可增强导热、强化吸附性能,最佳添加量为活性炭总量的20%;改性活性炭试验中,相比对照组经弱酸性溶液浸泡后活性炭可增强吸附性能,达到平衡吸附量87.1%时,吸附提前了3 min。[结论]该研究可为优化吸附床的结构设计和吸附式制冷系统提供参考。     

磺胺类药物光催化降解活性与分子电子结构相关性研究

以碳纳米管-二氧化钛为光催化剂,在可见光和紫外光照射条件下,研究磺胺、磺胺甲恶唑、磺胺噻唑及磺胺二甲嘧啶4种磺胺类药物在纯溶液和混合溶液中的光催化降解行为。采用量子化学理论中杂化密度泛函理论(DFT/B3LYP)对磺胺类分子构建几何模型,计算4种磺胺类药物的分子电子结构,研究它们光催化降解活性与分子电子结构的相关性。研究结果表明:4种磺胺类药物的可见光降解速率快慢为:磺胺>磺胺噻唑>磺胺甲恶唑>磺胺二甲嘧啶;纯溶液中磺胺类药物的光催化降解活性与分子电子结构存在密切的相关性,正辛醇-水分配系数越小、偶极矩越大、EHOMO越大、HOMO-LUMO能隙越小,降解速率越快;混合溶液中磺胺类药物的光催化降解速率不仅与其分子电子结构有关,也与其在光催化剂表面的吸附有关。     

硬球链流体在硬球粒子表面的密度分布和剩余吸附研究

在密度泛函的理论(Density Functional Theory,DFT)框架下,应用Yu等改进的基本度量理论(Modified Fundamental Measure Theory,MFMT)和Wertheim等发展的微扰理论分别表达剩余自由能的硬球作用和链连接作用,对硬球链流体体系进行了研究,建立了适用于均匀和非均匀流体的状态方程和化学势,得到了硬球链流体在硬球粒子表面的密度分布表达式,计算了在硬球粒子表面的链节密度分布,并将理论计算数据与叶等进行的Monte Carlo计算机模拟所得数据进行比较,结果吻合较好。此外,还进一步探讨了硬球粒子尺度和硬球链链节数对体系剩余吸附的影响。     

分子印迹预处理在红霉素检测中的应用研究

[目的]建立1种在实际样品中快速检测残留红霉素的方法。[方法]采用沉淀聚合法制备红霉素分子印迹聚合物,考察了不同分散相对分子印迹聚合物制备及其对吸附性能的影响,并通过Scatchard模型进一步评价了聚合物的吸附特性,探究了红霉素分子印迹聚合物在其结构类似物及实际食品样品中常见抗生素的吸附特异性,并对牛奶和鸡蛋样品进行了加标回收试验。[结果]当模板分子、功能单体、交联剂的比例为1∶4∶20时,印迹聚合物的吸附性能最好,印迹因子能达到3.45,该方法制得的印迹聚合物达到吸附平衡的时间只需要5 h,平衡时的吸附量达到56μg/g,大大缩短了沉淀聚合法制得的聚合物所需的平衡时间。在实际样品中的平均回收率为82.99%~98.09%。[结论]该研究为红霉素的快速检测提供了新方法,简化了检测步骤,提高了检测效率,具有广阔的应用前景。     

High-performance carbon nanotube fiber

With their impressive individual properties, carbon nanotubes should form high-performance fibers. We explored the roles of nanotube length and structure, fiber density, and nanotube orientation in achieving optimum mechanical properties. We found that carbon nanotube fiber, spun directly and continuously from gas phase as an aerogel, combines high strength and high stiffness (axial elastic modulus), with an energy to breakage (toughness) considerably greater than that of any commercial high-strength fiber. Different levels of carbon nanotube orientation, fiber density, and mechanical properties can be achieved by drawing the aerogel at various winding rates. The mechanical data obtained demonstrate the considerable potential of carbon nanotube assemblies in the quest for maximal mechanical performance. The statistical aspects of the mechanical data reveal the deleterious effect of defects and indicate strategies for future work.