Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки

Приводятся результаты моделирования потока молекул воды через нанотрубку с применением метода молекулярной динамики. Показаны и проанализированы особенности влияния различных факторов на характер движения потока....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2012
Main Authors:	Авраменко, А.А., Басок, Б.И., Тыринов, А.И., Дмитренко, Н.П., Коваленко, В.М., Кузнецов, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Series:	Доповіді НАН України
Subjects:	Теплофізика
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49492
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки / А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, В.М. Коваленко, А.В. Кузнецов // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 81-86. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-49492
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-494922013-09-20T03:06:22Z Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Коваленко, В.М. Кузнецов, А.В. Теплофізика Приводятся результаты моделирования потока молекул воды через нанотрубку с применением метода молекулярной динамики. Показаны и проанализированы особенности влияния различных факторов на характер движения потока. Наведено результати моделювання потоку молекул води через нанотрубку з застосуванням методу молекулярної динаміки. Показано та проаналізовано особливості впливу різних факторів на характер руху нанопотоку. The results of modeling of the water molecule flow through a nanotube by the molecular dynamics method are presented. Various effects on the flow dynamics are shown and analyzed. 2012 Article Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки / А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, В.М. Коваленко, А.В. Кузнецов // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 81-86. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49492 542.76 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Теплофізика Теплофізика
spellingShingle	Теплофізика Теплофізика Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Коваленко, В.М. Кузнецов, А.В. Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки Доповіді НАН України
description	Приводятся результаты моделирования потока молекул воды через нанотрубку с применением метода молекулярной динамики. Показаны и проанализированы особенности влияния различных факторов на характер движения потока.
format	Article
author	Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Коваленко, В.М. Кузнецов, А.В.
author_facet	Авраменко, А.А. Басок, Б.И. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Коваленко, В.М. Кузнецов, А.В.
author_sort	Авраменко, А.А.
title	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки
title_short	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки
title_full	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки
title_fullStr	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки
title_full_unstemmed	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки
title_sort	моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Теплофізика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49492
citation_txt	Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки / А.А. Авраменко, Б.И. Басок, А.И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, В.М. Коваленко, А.В. Кузнецов // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 81-86. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT avramenkoaa modelirovaniedviženiâmolekulvodyčerezuglerodnuûisilikonovuûnanotrubki AT basokbi modelirovaniedviženiâmolekulvodyčerezuglerodnuûisilikonovuûnanotrubki AT tyrinovai modelirovaniedviženiâmolekulvodyčerezuglerodnuûisilikonovuûnanotrubki AT dmitrenkonp modelirovaniedviženiâmolekulvodyčerezuglerodnuûisilikonovuûnanotrubki AT kovalenkovm modelirovaniedviženiâmolekulvodyčerezuglerodnuûisilikonovuûnanotrubki AT kuznecovav modelirovaniedviženiâmolekulvodyčerezuglerodnuûisilikonovuûnanotrubki
first_indexed	2025-07-04T10:37:23Z
last_indexed	2025-07-04T10:37:23Z
_version_	1836712570105364480
fulltext	оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 4 • 2012 ТЕПЛОФIЗИКА УДК 542.76 © 2012 Член-корреспондент НАН Украины А.А. Авраменко, член-корреспондент НАН Украины Б.И. Басок, А. И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, В. М. Коваленко, А.В. Кузнецов Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки Приводятся результаты моделирования потока молекул воды через нанотрубку с при- менением метода молекулярной динамики. Показаны и проанализированы особенности влияния различных факторов на характер движения потока. Многие из перспективных направлений в современной науке связаны с применением на- нотрубок, которые обладают уникальными электрическими, магнитными, прочностными, химическими и другими свойствами. Эти свойства наноструктур позволяют использовать их в различных отраслях, а именно, в электронике, при создании композитных материалов, в металлургии, медицине, биохимии и т. д. [1–4]. Промышленное производство нанотрубок дает возможность решить широкий спектр задач, прежде всего, по очистке воды от различных видов загрязнения. Фильтрация воды с помощью нанотрубок позволяет практически мгновенно опреснять морскую воду. Кроме того, нанофильтр полезен для мгновенной сортировки участков ДНК в биологических те- стах. Также следует отметить еще и тот факт, что пустоты внутри нанотрубок привлекают внимание ученых в связи с возможностью заполнения их атомами или молекулами различ- ных веществ. Это в перспективе может способствовать использованию наноструктур как накопителей различных газов, химических и биологических веществ. Взаимодействию воды и углеродной нанотрубки посвящено много экспериментальных работ и работ по численному моделированию. В настоящем исследовании рассматривается компьютерное моделирование потока молекул воды через углеродную (УНТ) и силиконо- вую (СНТ) нанотрубки с применением метода молекулярной динамики (МД) [5–9]. Метод МД является одним из наиболее распространенных методов компьютерного моделирования физических процессов на наноуровне, так как во многих случаях компьютерное моделиро- вание оказывается единственным способом получения детальной информации о поведении сложных молекулярных систем. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 81 Математическая модель. Метод МД основан на численном решении классических уравнений движения частиц (1) в некотором выделенном объеме среды. Для каждого атома записывается уравнение движения в виде второго закона Ньютона mi d2xi dt2 = Fi(x), i = 1, 2, . . . , N, (1) где m — масса атома; t — время; x — координата; F — сила. Предполагается, что все силы носят потенциальный (консервативный) характер. Поэто- му имеем Fi(x) = − ∂U(x) ∂xi , (2) где U(x) — потенциальная энергия, зависящая от взаимного расположения всех атомов. Мгновенная температура в МД моделировании определяется как средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну степень свободы расчетной системы T (t) = 1 3NkB N∑ i=1 miυ 2 i . (3) Здесь kB — константа Больцмана; υ — скорость движения. Температура среды определяется усреднением ее мгновенных значений T (t) по некоторому интервалу времени. Потенциальная энергия, которая входит в уравнение (1), описывается выражением [4] U(x) = UB + Uv + Uφ + Uω + ULJ + Uel + Uhb, (4) где UB — химическая связь; Uv — валентные углы; Uφ — торсионные углы; Uω — плоская группа; ULJ — взаимодействие Ван дер Ваальса; Uel — электростатика; Uhb — водородная связь. При использовании математической модели (1)–(4) для моделирования процессов моле- кулярной динамики задаются периодические граничные условия, т. е. молекулы и атомы, покидающие расчетную область, вносятся в нее через противоположную границу. Численная реализация метода МД. Обычно при МД расчете используется алгоритм Верле [10], когда положение точки может быть вычислено без знания скорости. Данный алгоритм является компромиссом между точностью процедуры расчета и скоростью ее реализации. Последовательность расчета имеет вид: ai(t) = Fi(x, t) mi , i = 1, 2, . . . , N, (5) υi(t+∆t) = υi(∆t) + ai(t)∆t, i = 1, 2, . . . , N, (6) xi(t+∆t) = xi(t) + υi(t)∆t+ ai(t) ∆t2 2 , i = 1, 2, . . . , N, (7) где a — ускорение; υ — скорость движения. Для устранения эффекта нереального ускорения молекул воды, что обусловлено ви- дом уравнений (1), при моделировании методом МД расчет проводят, учитывая условие 82 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4 Рис. 1. Схема исследуемой УНТ: 1 — нанотрубка; 2 — водород; 3 — кислород постоянства температуры. С этой целью применяют различные приемы для поддержания постоянной температуры, используя различные способы задания термостата [11, 12]. Одним из распространенных термостатов, используемых в молекулярной динамике, является тер- мостат Ланжевена [13]. При учете термостатирования уравнение движения будет иметь вид: m d2x dt2 = −∇U − γmυi + F+. (8) Уравнение (8), в отличие от классических уравнений МД, включает две дополнитель- ные силы: диссипативную силу γmυi и стохастическую силу F+ (γ — коэффициент сопро- тивления). Эти две силы взаимосвязаны флуктуационно — диссипативной теоремой [14]. Корреляция случайной силы определяется выражением: 〈F+ i (t1)F + j (t2)〉 = 2γkBTδijδ(t1 − t2), (9) где δij — символ Кронекера; δ — дельта-функция. Уравнение (9) представляет собой сто- хастическое уравнение Ланжевена. Для его численного решения применяется метод Мон- те-Карло, суть которого состоит в интегрировании по случайной выборке атомов, а не по всей системе. Результаты численного моделирования. На основе изложенной методики было про- ведено компьютерное моделирование движения молекул воды через УНТ и СНТ при раз- личных скоростях движения потока и заряде атомов наноструктуры. Скорость движения молекул воды устанавливалась путем приложения к ним внешней силы. УНТ и СНТ пред- ставляют собой системы, состоящие из 756 атомов углерода (рис. 1) и 301 атома кремния (нанотрубки), а также 19 молекул воды. Разное количество атомов обусловлено необходи- мостью обеспечения равенства размеров нанотрубок (диаметр, длина) при различных дли- нах связей межатомного взаимодействия. Обе расчетные области представляют собой прямоугольники со сторонами 14,5× 14,5× × 69 Å. При этом размеры УНТ составляют 12,66× 12,66× 50,34 Å и СНТ 13,45× 13,45× ×50,68 Å. Для всех граней расчетных областей применены периодические граничные усло- вия (при выходе молекулы из расчетной области через одну из граней молекула вносится ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 83 Рис. 2. Зависимость средней скорости движения молекулы воды через СНТ при различных значениях силы F , коэффициента сопротивления γ и электрическом заряде e = 3 э в расчетную область через противоположную грань). Системы рассматривались при тем- пературе 300 К. Диапазон сил, приложенных к молекулам воды, составлял 27,8–138,9 пН. Рассмотрены случаи при коэффициенте сопротивления γ, равном 5 пс−1 и 10 пс−1 [15]. Исследования проведены с использованием термостатирования. Зависимость средней скорости u прохождения молекулы воды через силиконовую на- нотрубку при различных значениях сил F и коэффициента сопротивления γ показано на рис. 2. Как и ожидалось, увеличение коэффициента сопротивления при F = idem ведет к умень- шению скорости движения молекул воды в нанотрубках, а увеличение силы при γ = idem ускоряет поток (см. рис. 2). Сравнение результатов при моделировании течения через УНТ и СНТ показало, что скорости движения нанопотока в двух указанных объектах при оди- наковых параметрах F , γ и e (e — заряд атома нанотрубки) практически совпадают. Если аппроксимировать результаты, подобные тем, что приведены на рис. 2 для УНТ без наложения заряда, то при γ = 5 пс−1 зависимость средней скорости движения молекул воды от приложенной к ним силы можно аппроксимировать так: u = 0,113F 0,98, а при γ = 10 −1 — u = 0,04F 0,04, где средняя скорость потока u измеряется в м/с, сила F — в пН. Также был проведен расчет движения молекул воды при наличии заряда у одного ато- ма каждой из нанотрубок в их среднем сечении. Результаты расчета при e = 3 э для СНТ приведены на рис. 2. Необходимость расчета обусловлена тем, что изменение заряда атомов нанотрубки является одним из способов регулирования нанопотока. Полученные результа- ты показали, что при наличии заряда время прохождения потока в нанотрубке зависит от величины заряда атомов углерода и кремния, а также приложенной к молекулам воды силы. Постепенное увеличение значения приложенного к атомам нанотрубок заряда способ- ствует уменьшению скорости потока с последующим его запиранием (все молекулы распо- лагаются внутри нанотрубки и не могут ее покинуть). 84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4 Рис. 3. Влияние позитивного (а) и негативного (б ) заряда атомов нанотрубки на способность притягивания к ним молекул воды При кольцеобразном наложении заряда на атомы УНТ в области действия силы F от 27,8 до 139 пН и γ = 5 пс−1 определено, что запирание нанопотока происходит при отрицательном значении e от −5,6 до −8,8 э и при положительном от 8 до 12,8 э. В случае с СНТ при тех же значениях γ и F пороговое значение электрического заряда, при кото- ром происходит запирание потока, лежит в области положительного заряда от 7,2 до 12 э, а отрицательного — от −4,8 до 11,4 э. Необходимо отметить, что полярность молекулы воды оказывает существенное влияние на способ ее притягивания к заряженным атомам нанотрубки. В ней различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислород- ного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). В случае положительно заряженных атомов нанотрубок молекулы воды притягива- лись атомами кислорода, а при отрицательном заряде — атомами водорода (рис. 3). Из приведенных результатов исследования видно, что при положительном заряде ато- ма нанотрубки необходимо задавать его большее значение для запирания потока, чем при отрицательном. Это объясняется тем, что атом кислорода имеет большую массу, по срав- нению с двумя атомам водорода, и для его притяжения к заряженным атомам углерода и кремния необходим больший заряд. Таким образом, на основе метода молекулярной динамики проведены расчеты движе- ния молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки. Для того чтобы устранить нефизические эффекты, в уравнение движения добавлены стохастическая и диссипативная силы. Показано влияние силы, приложенной к молекулам воды, коэффициента сопротив- ления и электрического заряда у атомов нанотрубки на динамику движения потока. Нало- жение электрического заряда на один или несколько атомов нанотрубки и дальнейшее его увеличение вызывает торможение молекул с последующим запиранием потока. Определены значения электрического заряда для рассмотренных УНТ и СНТ, при которых происходит запирание потока. Показано, что молекула воды притягивается к заряженным атомам на- нотрубки противоположным по знаку полюсом, что обусловлено полярностью молекулы воды. Исследования выполнены при финансовой поддержке NATO Collaborative Linkage Grant (CBP.NUKR.CLG 984260). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 85 1. Булярский С.В., Басаев С.А. Хемосорбция водорода углеродными нанотрубками // Журн. техн. физики. – 2009. – 79, № 11. – С. 50–55. 2. Сухно И.В., Бузько В.Ю. Углеродные нанотрубки. Ч. 1. Высокотехнологичные приложения. – Крас- нодар: Изд-во КубГУ, 2008. – 55 с. 3. Walther J. H., Jaffe R., Halicioglu T., Koumostacos P. http://ctr.stanford.edu. 4. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G. Carbon nanotubes: advanced topics in the synthesis, structure, properties and applications. – Berlin: Springer, 2008. – 720 p. 5. Quirke N. Adsorption and transport at the nanoscale. – Boca Raton: CRC Press, 2006. – 189 p. 6. MacElroy J.M.D. Nonequilibrium molecular dynamics simulation of diffusion and flow in thin microporous membranes // J. of Chem. Phys. – 1994. – l01, No 6. – P. 5274–5280. 7. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation. – London: Academic Press, 1996. – 443 p. 8. Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation. – London: Cambridge University Press, – 1996. – 400 p. 9. Товбин Ю.К. Метод молекулярной динамики в физической химии. – Москва: Наука, 1996. – 334 с. 10. Verlet L. Computer experiments on classical fluids. Thermodynamic properties of Lennard–Jones mole- cules // Phys. Rev. – 1967. – 159. – P. 98–103. 11. Allen M.P., Tildesley D. J. Computer simulation of liquids. – Oxford: Clarendon Press, 1988. – 387 p. 12. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. – San Diego: Academic Press, 2002. – 638 p. 13. Heo S. J., Sinnott S.B., Brenner D.N., Harrison J.A. Nanotribology and nanomechanics. – Berlin: Sprin- ger, 2005. – 621 p. 14. Espanol P., Warren P. Statistical mechanics of dissipative particle dynamics // Europhys. Lett. – 1995. – 30, No 4. – P. 191–196. 15. Izaguirre J. A., Catarello D.P., Wozniak J. V., Skeel R.D. Langevin stabilization of molecular dynamics // J. of Chem. Phys. – 2001. – 114, No 5. – P. 2090. – 2098. Поступило в редакцию 20.10.2011Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев Университет штата Северная Каролина, США Член-кореспондент НАН України А.О. Авраменко, член-кореспондент НАН України Б. I. Басок, А. I. Тирiнов, Н.П. Дмитренко, В.М. Коваленко, А. В. Кузнєцов Моделювання руху молекул води через вуглецеву та силiконову нанотрубки Наведено результати моделювання потоку молекул води через нанотрубку з застосуван- ням методу молекулярної динамiки. Показано та проаналiзовано особливостi впливу рiзних факторiв на характер руху нанопотоку. Corresponding member of the NAS of Ukraine A. A. Avramenko, Corresponding member of the NAS of Ukraine B. I. Basok, A. I. Tyrinov, N.P. Dmitrenko, V. M. Kovalenko, A. V. Kuznetsov Modeling the motion of water molecules through carbon and silicon nanotubes The results of modeling of the water molecule flow through a nanotube by the molecular dynamics method are presented. Various effects on the flow dynamics are shown and analyzed. 86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4

Моделирование движения молекул воды через углеродную и силиконовую нанотрубки

Institution

Similar Items