力电耦合作用下含液碳纳米管的可控力学行为研究

Studying and developing the nano-devices with the controllable mechanical performance can provide a scientific reference and a practical scheme for executing the controlling operation accurately in the nanoscale system. In this project, the controllable mechanical behaviors of the water-filled and the ionic liquid-filled carbon nanotubes with two half-fullerene caps in the electro-mechanical field will be examined on the basis of the molecular dynamics simulations and the relevant classical continuum theories. Through the numerical simulations and the theoretical researches, this project will focus on: the states, the configurations and the dynamic behaviors of the water molecules and the ions under the coupling effect of the external electric field and the confined environment; the variation of the mechanical property of the water-filled carbon nanotubes (the elastic modulus, the critical buckling stress and so on) with the intensity and the direction of the electric field; the variation of the deformation of the ionic liquid-filled carbon nanotubes (tension, bending and so on) with the intensity and the direction of the electric field; the theoretical model describing the changeable mechanical behavior of the fluid-filled carbon nanotubes with the intensity and the direction of the electric field. The outcomes of the project will provide valuable theoretical basis and guidance for the design and the fabrication of the controllable nano-devices.

研究和发展具备可控力学性能的纳米元器件对于在纳米尺度下实现精确的控制性操作具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟基于分子动力学模拟方法，结合经典连续介质相关理论，开展两端由富勒烯半球封闭的含水和含离子溶液的碳纳米管在力电耦合场中的可控力学行为研究。通过数值模拟和理论分析，认识水分子和离子在外部电场和限制环境双重作用下的状态、构型和动力学行为的变化情况，揭示含水碳纳米管的弹性模量、临界屈曲应力等力学性质随着外部电场强度和方向的变化规律，阐明含离子溶液碳纳米管的拉伸、弯曲等变形行为与外部电场强度和方向之间的变化关系，建立能够描述由电场强度和方向控制的含液碳纳米管可变力学行为的力电耦合理论模型。项目的研究结果将为纳米尺度控制性元器件的设计和制造提供有参考价值的理论依据和指导。

一直以来，碳纳米管都被认为是纳微机电系统中结构组件或功能性器件的理想材料之一。近年来，含水碳纳米管已经能够通过多种实验方法制备出来。此外，离子也被证实可以进入碳纳米管从而使得含离子溶液碳纳米管的制备成为了可能。针对含液碳纳米管这一新兴的纳米尺度材料，开展力学性质及变形行为的研究可以为碳纳米管的实际应用提供新的设计思路和理论指导。为此，本项目基于数值模拟和理论分析方法，构建了含液碳纳米管的分子动力学计算模型，建立了含液碳纳米管可控变形行为的理论模型，结果表明水的填充和电场的施加对碳纳米管弹性性质（弹性模量和泊松比）的影响较小，而屈曲性能（临界屈曲应力和平均后屈曲应力）却会随着填充密度和电场强度的变化而变化且呈现出了非线性的尺度依赖性；对于扭转性能，水的填充对碳纳米管剪切模量的影响较小，但其临界屈曲角却有了明显的提高，而致使碳纳米管发生破坏断裂的临界角有所降低；对于含有初始预应变的含水碳纳米管，电场的施加可以改变其高度，并且这种高度的变化具备了快速响应和可逆的特性；单个和两个电场可以引导含离子溶液碳纳米管分别发生拉伸和弯曲变形，其幅值可由电场强度来调控，基于此变形特性设计了可控制混合气体流速甚至分离的分子筛模型。此外，本项目拓展研究了由纳米颗粒诱导的碳纳米管、细胞膜的平衡构型，揭示了构型与纳米颗粒形状、刚度等属性之间的控制关系。围绕上述研究内容，在国内外重要学术期刊发表论文21篇，其中SCI检索18篇，包括Scientific Reports、Nanotechnology等国际知名期刊论文（第一作者）、JCR 1区期刊封面论文（第一作者）；参加国际、国内学术会议5次，包括世界计算力学大会、中国力学大会等重要学术会议；指导硕士研究生3名。研究成果为纳米尺度控制性器件的设计提供了可行的方案，同时为现代科技产品微型化和集成化的设计与发展提供了有参考价值的理论依据和指导。