纳米水通道内水的流动特性研究

　　1 引言

　　2001年,美国的Hummer等通过分子动力学模拟发现:一般认为是疏水的纳米碳管内可以有水流,并且在合适半径的纳米碳管内水分子呈准一维水链结构,即水分子排成一列,逐个通过纳米碳管^[1].同一年,德国的Groot和Grumuller用分子动力学模拟了细胞膜水通道蛋白在水环境中的行为^[2].他们看到,水分子在生物水通道内也呈现出准一维水链的结构.2010年,这样的一维水链在实验上得到证实^[3].2003年, Hummer等进一步发现,通过纳米碳管的水流量异乎寻常地大^[4].这个理论于2006年被实验所证实^[5].

　　国际上特别重视纳米管道内水流的流动问题,一个重要原因是它还具有重大的潜在应用价值.例如,淡水短缺是发展中国家(特别是中国)目前和将来发展所面临的一个重大问题.国际上公认海水淡化和污水处理是主要获取淡水的方式.但是,这种方法的关键部件——过滤膜(一种能允许水分子通过而离子等被挡住的膜)的研制近40年进展甚微^[6].考虑到通过纳米碳管的水流量异乎寻常地大,人们就希望基于纳米管道的纳米技术可以在这方面有所突破.另外,化学分离、分子检测和药物传递等一些纳米技术都常常依赖于微纳米尺度通道内溶液的流动.

　　本文将重点介绍近10年来在纳米水通道方面的研究进展,特别是在外力或外电场扰动下纳米碳管内水的特性.主要包括:在纳米和分子尺度上,热噪音的效应不可忽略,如何在这样的热噪音环境下控制(生物)水通道内水流的开关;纳米管道内水流在外电场下的行为;生物水通道的复杂结构对通道内的水流起什么作用.

　　2 纳米水通道方面的研究进展

　　在介绍纳米水通道内的水以前,首先回顾一下水的特性.从宏观上说,水是中性的.但单个水分子是有极性的.一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成,氢-氧-氢原子间的夹角约是104.52b.由于部分电子从氧原子的pz轨道转移到氢原子的空s轨道,氢、氧原子分别残留有一定的正、负电荷,导致水分子成为一个极性分子.这样,一个水分子的氧原子可以与相邻的另一个水分子的氢原子产生相互作用,形成氢键.氢键的强度远大于一般的相互作用,其能量可以是热运动能量的十几倍.一般认为,水的很多奇异特性(例如水在4bC以下热缩冷涨以及有特别大的热容等特性)都起源于氢键的存在^[7].

　　当水分子被限制在特定半径的纳米管道时呈现准一维结构(见图1).由于相邻水分子之间氢键的相互作用,水分子之间一般没有空隙,这样会导致管内水分子的运动协调一致(一起向左或向右运动).特别是,根据能量最小要求,一般情况下,每个水分子的偶极都指向碳管的同一侧.由于热运动,这个水分子的集体偶极方向经过一定时间后会指向碳管的另一侧.