水分子与离子的耦合输运机理研究

We use computer simulations to study the coupling transport mechanism of water and ions. We first consider the pressure driven transport of water and ions through carbon nanotubes, and establish the dependence of water flux, ion flux and their translocation time on the pressure difference, salt type, salt concentration and so on. We will try to reveal the coupling relation between active and passive transport of water and ions, respectively, and thus our results should be valuable and even a guide for experimental studies. Second, we study the transport of water and ions through carbon nanotubes modified with charged residues, with the hope of ion sieving and filtration in large diameter channels. This can further help us to understand the coupling transport of water and ions inside complex channels. Third, we try to control the distance between graphene layers according to some newest experiments, and investigate the stabilization of multilayer graphene under the Lennard-Jones or electrostatic interactions. We then study the transport of water and ions through the multilayer graphene under pressure difference or electric fields, with the aim to distinguish or filtrate ions, enabling us to understand the effect of two dimensional confinement on the coupling transport of water and ions. Finally, we pay attention to the coupling transport of water and ions though multilayer graphene pores, and consider the effect of pore size and distribution, and reveal the interplay of water and ions, interpreting some recent experimental observations.

拟采用计算机模拟方法研究水分子和离子的耦合跨膜输运。研究压差驱动下水分子和离子穿越碳纳米管通道的输运行为，建立水分子和离子的跨膜流量、输运时间等参数随压差、盐的种类以及浓度等参数的关系，揭示水分子的主动输运与离子被动输运的耦合关系，为近期实验上水脱盐的研究提供理论参考；研究水分子和离子穿越修饰了带电基团的碳纳米管，实现较大孔径纳米管对离子的过滤及分离，加深对水分子和离子在复杂通道内耦合输运行为的认识；根据最新的一些实验结果，研究多层石墨烯在范德华力或静电力调控下结构的稳定性，研究水分子和离子穿越多层石墨烯的动力学性质，揭示二维受限空间对水分子和离子耦合输运性质的影响，进一步实现离子的过滤与分离；研究水分子和离子穿越带孔的多层石墨烯，并考察孔的大小及分布对输运性质的影响，进一步加深对水分子与离子的相互静电拖动及耦合输运行为的认识，从模拟的角度揭示近期一些实验现象的微观机理。

认识和控制水分子与离子在纳米通道中的输运性质不仅与许多生命活动现象息息相关，而且也是纳滤膜材料设计的理论基础。本项目采用分子动力学方法系统研究了水分子与离子在碳纳米管与石墨烯通道中的输运性质，重点揭示了水分子与离子动力学性质的耦合关系。在压差驱动下，水分子跨膜流量的线性行为导致了离子流量类似的行为，然而对于三价的盐溶液由于离子的堵塞效应水流量反而随压差增大而减小；此外，不同价态的离子可以以不同的团簇结构穿过碳纳米管，从而离子的结构与动力学性质之间有重要关系。在电场驱动下，随着场强的增大离子流量顺序从阳离子>阴离子变为阴离子>阳离子，这导致了水流量方向的类似变化；高温能明显促进水分子与离子的跨膜输运，稳定水流的方向并增加临界电场的大小；研究结果明确了离子输运诱导水流方向的基本问题。通过引入DPPC双层膜设计了一个简单的渗透模型，从而实现了长时间的渗透模拟；渗透水流量与盐浓度差之间存在很好的线性关系，而与温度之间则存在Arrhenius关系，这与近期的实验完全吻合。进一步研究发现，修饰了带电基团的碳纳米管可以表现出有趣的电水泵现象；在电场驱动下，碳管内表面的反离子会产生定向运动，为水分子的输运提供了直接的驱动力。并且阴阳离子会表现出明显不同的动力学行为，从而导致了水分子在正负电碳管内输运性质的差异。此外，在压差驱动下，修饰了带电基团的碳纳米管能够显著提高脱盐率；由于离子与正负电基团相互作用的差别，带正电的碳管具有更大的水流量和脱盐率。在石墨烯通道中，对于不同的通道高度、外电场强度以及离子浓度，离子通量的大小均存在一致的顺序，即K+>Cl->Na+≈Li+；但由于阳离子与阴离子之间的复杂竞争关系，诱导产生的水通量与这三个因素均存在关联。在溶液中阳离子和阴离子通常会在电场作用下朝相反的方向做单向运动，而在我们最新的工作中发现，二维空间中的阴阳离子可以形成团簇结构，并在电场中表现出双向输运的性质。