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纳米级离子液体液滴流动电势的分子动力学模拟研究

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第一章 绪论

1.1 基于碳纳米材料流动电势的研究现状

1.2 本文主要研究工作

1.3本文创新点

第二章 纳米级离子液体液滴的流动电势理论基础

2.1 流动电势理论

2.2 离子液体与石墨烯特性

2.2.1 离子液体及其特性简介

2.2.2 石墨烯及其特性简介

2.3 本章总结

第三章 分子动力学基本理论与算法基础

3.1 分子动力学模拟简介

3.1.1 分子动力学背景和应用

3.1.2 分子动力学基本原理

3.1.3 分子动力学模拟流程

3.2 分子动力学理论基础

3.2.1 分子动力学力场

3.2.2粒子运动过程数学基础

3.3 本章总结

第四章 离子液体液滴在单层石墨烯表面上运动产生流动电势模拟研究1

4.1 模型创建与模拟过程

4.1.1 离子液体液滴与石墨烯片模型

4.1.2 离子液体液滴流动电势体系模拟模型

4.2结果与分析

4.2.1 流动电势模拟体系的平衡过程

4.2.2 液滴中阴阳离子分布规律与分析

4.2.3 流动电势产生原理及估算公式的修正

4.2.4 离子液体液滴中阴阳离子漂移速度规律与分析

4.2.5 常温常压下[EMIM][BF4]液滴体系流动电势的估算

4.2.6 温度对离子液体液滴体系流动电势的影响

4.2.7 离子液体粘度对流动电势的影响

4.3 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢

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摘要

浸没在流动的电解液或极性分子液体中的石墨烯或碳纳米管能够产生流动电势,可以用于实现纳米尺度下的自供能,从而使纳米机器人等纳米电机系统在无需额外电源供电、不增加器件重量和尺寸的情况下实现生物分子传感、远程控制等复杂功能。现有的关于流动电势的研究中采用的诸如氯化氢溶液、液体水、甲醇溶液等,具有易挥发、有毒性、腐蚀性和不稳定等缺点,限制了流动电势在生物、医疗等领域内的应用,且系统为毫米/微米量级,无法应用于纳米尺度系统。作为目前被广泛研究的绿色新型材料,室温离子液体具有环境友好、对健康无害、高热稳定性、可设计性等优异性质,常被作为极端环境下非常优异的电解液,且由于其对环境和人体健康的危害性很小可被应用在基于纳机电系统的生物医学领域。此外,纳米级液滴表现出极强的表面效应,使得液滴表面增大,更加有利于流动电势的产生。因此,基于室温离子液体的流动电势可以应用于实现纳米级的自供能器件,使得在纳机电系统中实现生物分子传感和远距离遥控等成为可能。
  为了探究可应用于纳机电系统的自供电器件,本文首次提出采用极具效率的分子动力学模拟的方法研究纳米级室温离子液体液滴在单层石墨烯表面上运动产生流动电势的现象。根据对两种咪唑类室温离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的液滴在单层石墨烯片上运动过程的模拟,得出液滴中阴阳离子漂移速度随着液滴的运动速度均呈现出非线性的增长并最终达到饱和,这种现象与之前此类研究中观察到的现象是一致的,本文首次给予产生这一现象的解释是由于液滴所受外力与其自身受到的粘滞阻力达到了受力平衡,最终液滴保持了匀速运动。并且,与以往流动电势研究不同的是,我们在估算液滴移动过程中所产生的流动电压时不仅考虑到了阴离子的漂移速度,还将阳离子的漂移速度和库伦作用力的影响也都考虑进去,修正了以往研究中估算流动电势的公式,根据其估算本文中离子液体液滴在单层石墨烯片上运动时产生了可达微伏级大小的流动电势。最后,通过对比两种不同离子液体在不同温度下的模拟,发现温度越高或者离子液体粘度越小时,液滴中阴阳离子的漂移速度越大,导致产生的流动电势大,进一步说明,离子液体的粘度对流动电势的产生具有阻滞作用。
  本文基于室温离子液体的流动电势研究结果将对纳米自供能器件的发展具有重要应用意义,使得纳机电系统中实现医疗诊断、生物分子传感和远距离遥控等成为可能。

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