自然現象之微觀觀點

Report
Electrical-Driven Transport of
Endohedral Fullerene Encapsulating a
Single Water Molecule
Published April 12 , 2013
Physics 6, 43 (2013) | DOI:10.1103/Physics.6.43
作者:Baoxing Xu
報告人:洪尚廷
指導老師:梁君致
日期:11/28
and
Xi Chen
富勒烯簡介
 富勒烯是1985年由柯爾(Robert Curl)、克羅托(Harold
Kroto)和斯莫利(Richard Smalley)三位科學家發現,因
為他們所發現的分子形狀類以建築師Richard Buckminster
Fuller所建造的一座拱頂展覽館,因此以建築師的名字為分
子命名。
 地點:加拿大 蒙特利爾
富勒烯是碳同素異形體中的一類,分子完全由碳組成,分子形狀可能為
中空的球形、橢面、管狀或平面。球狀的富勒烯又稱為巴克球,而管狀
的則稱為奈米碳管或巴克管。石墨是由許多六角環的石墨烯堆疊而成(富
勒烯亦有六角環結構),而富勒烯的結構非常像石墨,但其中可能含有五
角環(有時候含七角環)。
分子模擬(Molecular Simulation)簡介
分子模擬的流程圖
分子
結構
理論
模型
演算法
實驗資料
程式語言
和
圖形介面
分子模擬
分子模擬(Molecular Simulation)簡介
分子模擬的尺度(Scale)範圍
量子
尺度
(Quantum
Scale)
原子和分子尺度
(Atomic & Molecular
Scale)
介觀尺度(0.1~100nm)
(Mesoscopic Scale)
巨觀尺度
(Macroscopic Scale)
分
子
模
擬
尺
度
在富勒烯中間放入一個水分子
在300K及1atm狀態下
模擬裝置
•
•
•
•
•
•
[email protected]:內嵌水分子的富勒烯
Carbon nanotube(CNT):奈米碳管
(CNT)半徑:4.1nm、長度19.5nm(週期性)
富勒烯外徑:0.5nm
CNT半徑夠大以減輕CNT壁所造成的影響、週期性邊界模擬無限長通道
C60不能屏蔽掉電場
行進過程中
• H [email protected] 會移動,但不轉動
2
60
•其中裡面的水分子自己會旋轉
當外加E=0.02V/Å(+Z軸方向)
MD simulation快照
外加電場能使[email protected]的運動方式穩定
當外加E =0.1V/Å(+Z軸方向)
當外加E超過0.065V/Å時, [email protected]會反轉
H2O的極化方向
•θt:瞬時傾角(對z軸)
•Pt:瞬時偶極
•μ:+z軸的單位向量
開啟電場時瞬時傾角與時間的關係
• θts :極化方向角度
•(≒68.9度)
•大約0.1ns時其圖形
就像(圖a一樣)
θts與初始角度(θ0 )無關
• θ0 :t=0時的角度
θts與E的強度有關
•(此圖均在t=2ns時)
E強度和θts區域示意圖
•
傳播速率和θ0有關
為了瞭解內嵌水分子的轉動與移動,用了速度的自相關函數
(v-ACF)和轉動的自相關函數(ω-ACF)作圖來表示
•自相關:同一過程不同時刻的相互依賴關係,比
如說;假設今天下雨決定了明天一定下雨且今天
不下雨明天也一定不下雨,那兩件事情就是完全
相關的相關度為1,如果今天下雨了明天就一定不
下雨,今天不下雨明天一定下雨,那兩者就是完
全負相關,相關度為-1。如果兩者有一定概率的
關係,那相關度就介於兩者之間。
移動自相關函數作圖(E=0.03V/Å)
• Vx跟Vy震盪形式類似,
衰減的很快
• Vz很明顯與它們的震盪
頻率不同
轉動自相關函數作圖(E=0.03V/Å)
• 情形類似移動,但x方向
與y方向很快就平衡了
• 其中z方向最終也會到達
平衡,即表示最後沿著
Z軸均勻轉動
總結
•由於傳輸速度和θ0有關係所以為了增加傳輸速度
,可以先加一個preelectrical field (pE)後,
將[email protected]暫時侷限在很窄的奈米碳管中(使它不
要移動),調整好特定的角度之後,再把pE關掉,
引入較寬的奈米碳管中,開啟E控制方向,只要E
控制的適當,可以透過這種機制,將想要傳輸的
東西(例如藥物)附在C60上,進而達到傳輸的目的
。
報告到此
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