عوامل مؤثر بر ترابرد آب در اتصالات نانو لوله هاي كربني

Effective factors on water transport through connections of carbon nanotubes

پژوهش­ هاي اخير نشان مي ­دهند كه ترابرد آب در نانو لوله­ هاي كربني بسيار سريع است. يكي از مهمترين دلايل براي اين پديده، هموار بودن نمودار انرژي برهم­كنش آب با ديواره­ ي نانو لوله­ ي كربني است. نانولوله ­هاي كربني در عمل ممكن است كامل هموار نباشند. اين ويژگي مي­ تواند به دليل بروز نواقص ساختاري در هنگام ساخت و يا به صورت عمدي براي تهيه نانوكانال­هايي با كاربردهاي خاص ايجاد شود. در اين پژوهش، ما با استفاده از شبيه­ سازي ديناميك مولكولي به بررسي سيستماتيك اثر زبري و ميزان ترشوندگي ديواره بر ترابرد آب در نانولوله­ هاي كربني ناهموار پرداختيم. در مدل ما نانولوله­ ي كربني آرمچير (10و10) به عنوان مرجع انتخاب شده و به نانولوله ­هايي با قطر بزرگتر ولي با طول يكسان متصل مي ­شود و اين الگو به تناوب و به دفعات دلخواه تكرار مي ­شود. افزون بر اثر زبري ديواره، ميزان ترشوندگي نانولوله نيز عامل مهمي است كه با تغيير پارامتر برهم­كنش شاره-ديواره قابل تنظيم است. نتايج ما نشان مي­دهد كه ضريب اصطكاك شاره-ديواره در نانولوله­ هاي ناهموار نسبت به نانولوله­ هاي هموار افزايش مي­ يابد و همچنين، با افزايش زبري در نانولوله ­ها (افزايش دامنه يا كاهش طول­موج) ضريب اصطكاك نيز روندي افزايشي را نشان مي­ دهد، در حالي كه طول لغزش كاهش پيدا مي ­كند. افزون­بر اين، مشاهده كرديم كه با كاهش پارامترهاي برهم­كنشي و در نتيجه آب­گريز شدن نانولوله­ ها ضريب اصطكاك شاره-ديواره در مقايسه با حالت آب­دوست كاهش مي­يابد. سرانجام، از بررسي اطلاعات بدست آمده از شبيه­ سازي­هاي انجام شده، بينش مفيدي از ساختار تعادلي آب و وابستگي كميت­ هايي چون ضريب اصطكاك شاره- ديواره، گرانروي آب و بالاخره طول لغزش، به ميزان ترشوندگي و زبري نانولوله كربني بدست آورده­ايم. ضمن آن كه بررسي نتايج مربوط به مرحله نخست، يعني پر شدن نانو لوله، به دانش قبلي ما در زمينه اثر مويينگي در نانو لوله­ هاي ناهموار عمق بيشتري مي­ بخشد.

Recent studies have demonstrated the ultrafast water flow through smooth carbon nanotubes. Several reasons have been suggested for this phenomena, one of the most important of which is the smoothening of the potential energy landscape felt by water molecules. In practice, carbon nanotubes may not have a perfectly simple smooth geometry. This feature can be cuased by any kind of defects during practical construction or deliberately created to provide nanochannels with specific applications. Molecular dynamics simulation method has been employed to study the effect of wall roughness and the rate of wettability of nanochannel’s wall on the transport of water in carbon nanotubes. We start with a (10,10) carbon nanotube (CNT) as our reference channel and generate nano-junctions by attaching other CNTs with larger radius but same length to it. This pattern is repeated alternately and as many as time desired. In adittion to the effect of wall roughness, another effective parameter is the wettability of nanochannel’s wall that can be adjusted by varying the interaction strength between tube wall and water molecules. Our results show that the fluid-wall friction coefficient increases compared to smooth nanotubes and also friction coefficient increases with increasing roughness in nanotubes (increasing the amplitude or decreasing the wavelength of roughness), while the slip legth decreases. In addition, we observed that by reducing the interaction parameters the friction coefficient decreases compared to the hydrophilic case. Finally, from the analysis of our simulations we obtain a useful insight into the equilibrium structure of water and the dependance of quantities such as friction coefficient, viscosity and slip length on wettability and roughness of carbon nanotubes. While the results of first stage, i.e the filling of nanotube with water, aid in improving our previous knowledge about the capillary effect in rough carbon nanotubes.