论文总字数：19884字

摘 要

纳秒脉冲电场作为一种高场强短脉宽电脉冲,它的生物学效应不同于一般电刺激。目前, 纳秒脉冲电场主要应用于肿瘤治疗等方面。纳秒脉冲电场作为一种新技术能够通过使用超短脉冲的非热高压电场来破坏肿瘤细胞。

纳孔中离子的运输可比拟为细胞膜中离子的运输，而细胞膜中离子的运输研究是非常复杂的，在现有的实验基础上对其机理进行研究存在难以解决的问题，分子模拟的方法能够很好的研究纳米尺度下流体的性质。

本文将纳秒脉冲电场技术用于纳米孔道的离子输运研究，采用分子动力学作为研究手段，以碳纳米管作为孔道模型，考察纳秒脉冲电场作用下不同电解质溶液体系在孔道中输运情况，从分子层面揭示孔道特征对于不同离子输运行为的影响。研究发现，外加纳秒脉冲电场能够明显地增强离子的分离效果。离子的通量随着碳纳米管管径的增大而增加；相同管径下离子的第一水化层半径越大，则通量越大。

关键词：碳纳米管 纳秒脉冲电场 分子模拟

Nanoporous molecular dynamics study of the effect of Nanosecond pulsed electric field on the ion

Abstract

Nanosecond pulsed electric field is a kind of electrical pulses with short pulse-width and high field-strength, its biological effect is different from the general electrical stimulation. Nowadays, nanosecond pulsed electric field is mainly used in cancer treatment and so on. Nanosecond pulsed electric field is a new technology which could destroy tumor cells with a non-thermal high voltage electric field by using ultra-short pulses.

The ion transport in nanopores is comparable to the ion transport in the cell membrane, and the ion transport in the cell membrane is very complex. On the basis of the existing experiments, there are difficult problems to research its mechanism, the method of molecular simulation can be very good to study the properties of fluid in nano-scale.

In this paper, the ion transport in nanopores is studied by using nanosecond pulsed electric field technology. The molecular dynamics is used as the research method, and the carbon nanotube is used as the channel model, investigating transport of different electrolyte solutions in nanopores under the action of nanosecond pulsed electric field. From the molecular level, the effect of pore characteristics on different ion transport behavior is revealed. The results showed that the separation effect of ions can be obviously enhanced by the nanosecond pulsed electric field. The flux of ions increases with the increase of the diameter of carbon nanotubes, the greater the radius of the first hydration layer of the same diameter, the greater the flux.

Key words：carbon nanotube; nanosecond pulsed electric field; molecular modeling

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 纳秒脉冲电场简介 1

1.1.2 碳纳米管简介 1

1.1.3 纳米孔道中快速传递的报道 2

1.2 课题提出及研究内容 3

1.2.1 课题的提出 3

1.2.2 研究内容 3

第二章 理论基础与研究方法 4

2.1 计算机分子模拟简介 4

2.2 分子动力学模拟的理论基础 4

2.2.1 分子动力学模拟（简称MD） 4

2.2.2 基本原理与方法 5

2.2.3 系综及其分子动力计算方法 7

2.3 建模方法 9

2.4 Gromacs，LAMMPS和Namd软件简介 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 引言 11

3.2 纳秒脉冲衡算 11

3.3 模拟细节 12

3.3.1 模拟位能 12

3.3.2 模拟细节 13

3.4 结果与讨论 14

3.4.1 CNT中离子随时间的变化 14

3.4.2离子径向分布函数(RDF)分析 15

3.4.3离子沿Z轴数密度分析 17

3.4.4离子通量分析 19

3.5 本章总结 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 纳秒脉冲电场简介

纳秒是十亿分之一秒。纳秒脉冲[1]被定义为连续的几个到几十个纳秒的脉冲。在纳秒脉冲被应用之前，更长的脉冲例如微秒脉冲被大量地在医学和环境去污领域使用，然而这些更长的脉冲有着明显的缺陷，它们会使细胞膜发生变化，变得具有可通透性。

纳秒脉冲电场是具有高功率和低热量特点的新兴脉冲电场技术。由于纳秒脉冲具有产生超高的功率（能够达到数十亿瓦特），超短的持续时间（纳秒）以及较高的场强（kV/cm）等特点，所以可以穿入细胞并作用于亚细胞结构，而此时细胞膜并未完全充电。因为纳秒脉冲的持续时间明显短于细胞膜的充电时间[2]，故其几乎不会对细胞膜造成影响，也不会产生细胞膜的电穿孔效应。

请支付后下载全文，论文总字数：19884字