Eine Nanometer-Wasserpumpe, die durch die Brownsche und nicht-Brownsche Bewegung einer Graphenschicht auf einer Membranoberfläche induziert wird

Hintergrund

Die Meerwasserentsalzung ist ein Highlight, um die globale Wasserknappheit zu lösen, da sie theoretisch endlos sauberes Wasser bieten kann. Allerdings ist die aktuelle Technologie nicht perfekt. Es gibt zwei verschiedene Methoden zur Meerwasserentsalzung. Die erste ist die Destillation, bei der reines Wasser durch Erhitzen von Meerwasser und anschließendes Abkühlen der Dämpfe gewonnen wird. Phasenwechsel können Verunreinigungen vollständig entfernen, jedoch energieintensiv und teuer. Die andere ist die Umkehrosmose (RO), bei der Meerwasser durch eine semipermeable Membran geleitet wird, die für Wasser durchlässig, aber für Ionen undurchlässig ist. RO profitiert von der Verbesserung semipermeabler Membranen und Druckwasserpumpen und ist ausgereift und weit verbreitet [1]. RO ist jedoch immer noch energieintensiv [2,3,4]. Dies liegt daran, dass das RO-System einen hohen Druckabfall aufrechterhalten muss, um den durchlässigen Druck aufzubauen und Meerwasser durch semipermeable Membranen zu treiben. Viele Wissenschaftler glauben, dass „damit die Entsalzung den Wasserherausforderungen des 21. Sie schlagen vor, dass Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) ein idealer Wasserkanal mit den Vorteilen wie Selektivität, hoher Effizienz und niedrigen Energiekosten sind [6] und ein großes Potenzial für Anwendungen als nanofluidische Kanäle haben [7,8,9,10]. Allerdings ist nur die Verbesserung der RO-Membraneigenschaft hilfreich für die Wirksamkeit von RO, aber nutzlos, um Energie zu sparen, da die derzeitige RO-Entsalzung bereits nahe der thermodynamischen Grenze ist [4]. Als Alternative zur Hochdruckpumpe werden effizientere Antriebsmethoden benötigt [11].

Bei einem CNT-Kanal, der zwei Wasserreservoirs verbindet, können Wassermoleküle aufgrund der Brownschen Bewegung immer spontan in den Kanal eintreten. Die Infiltrationseffekte von zwei Seiten des CNT-Kanals gleichen sich jedoch aus, da kein Nettowasserfluss existiert. Da der Nettofluss durch das Wettbewerbsergebnis der Brownschen Bewegung von zwei Seiten des CNT-Kanals betrachtet wird, sollte die Verbesserung oder Schwächung der Wettbewerbsfähigkeit einer Seite eine wirksame Methode zum Pumpen von Wasser sein. In früheren Arbeiten sind Druckabfall [12, 13], Temperaturdifferenz [14, 15] und elektrisches Feld [16] gängige Strategien zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit auf der einen Seite, um einen Nettowasserfluss zu erzeugen. Dennoch scheint es die bessere Wahl zu sein, die Wettbewerbsfähigkeit zu schwächen, da wir die natürliche Durchlässigkeit nutzen.

Tatsächlich ist die Kontrolle des nanofluidischen Transports für weit verbreitete Anwendungen relevant, die von Energiespeichern bis hin zu Biosensoren reichen [17,18,19,20,21,22,23], was immer noch eine Herausforderung darstellt. Hier entwickeln wir eine neue Wasserpumpe mit einem kleinen Graphitblatt auf einer Membranseite mit dem Ziel, das Gleichgewicht der Brownschen Bewegung der beiden Reservoirs zu durchbrechen, ähnlich einem symmetrischen Brechsystem. Das Blatt hat zwei Bewegungsmodi:thermische Bewegung und unidirektionale Bewegung, die Brownschen bzw. nicht-Brownschen Bewegungen entsprechen. Durch Simulationsrechnungen wird eine Schwächung der Wettbewerbsfähigkeit auf der Oberseite erreicht und ein Wasserfluss von unten nach oben induziert. Außerdem beträgt der Wasserfluss für die Brownsche Bewegung fast zwei pro Nanosekunde, was dem von Aquaporin nahe kommt [24, 25], was auf mögliche Anwendungen in biologischen Membranen hindeutet. Das kleine Blatt treibt Wasser von unten nach oben durch das CNT, was dem physikalischen Mechanismus des osmotischen Drucks analog sein kann. Darüber hinaus kann bei der unidirektionalen Bewegung der Flussbetrag in Abhängigkeit von der Bogenbewegungsgeschwindigkeit oder externen Kraft um ein Vielfaches erhöht werden. Mit dem Eintritt der Technologie auf molekularer Ebene, wie der Manipulation von Oberflächen-Nanopartikeln durch optische Pinzetten [26] und Rasterkraftmikroskopie [27], zeigt unsere Arbeit eine Wahrscheinlichkeit der Abstimmung der Wasserpermeationssymmetrie, was eine neue Methode für die Wasserpumpe eröffnet.

Modell- und Simulationsmethode

Eine Momentaufnahme des Simulationssystems ist in Abb. 1 dargestellt. Wir verwenden ein (6, 6) CNT (Länge 2,56 nm und Durchmesser 0,81 nm) und zwei parallele Graphitplatten (5.1 × 5.1 nm ² ) um eine durchlässige Membran zu bilden. In einem so engen Kanal weisen Wassermoleküle eine einreihige Anordnung auf [6]. Eine kleine Graphitfolie aus 272 Kohlenstoffatomen wird dicht auf die Membran gelegt. Die starke Kohlenstoff-Kohlenstoff-Wechselwirkung führt zur Adsorption eines kleinen Blatts auf der Membran. Tatsächlich beträgt der mittlere Abstand zwischen Folie und Membran während unserer Simulationen etwa 0,34 nm. Bei der Brownschen Bewegung stellen wir die Temperatur der kleinen Graphitschicht im Bereich von 100 bis 500 K ein. Sie schwingt auf der Membran in der Nähe des CNT-Eingangs und kollidiert mit den nahegelegenen Wassermolekülen. Dreitausenddreihundertachtundzwanzig Wassermoleküle füllen den Kanal und zwei Reservoirs. Die Wassertemperatur ist auf 300 K festgelegt. Für den unidirektionalen Bewegungsmodus wenden wir eine zusätzliche Beschleunigung auf jedes Kohlenstoffatom des kleinen Blatts an, um die zusätzliche Kraft zu erreichen, wobei 0,1 nm/ps ² entspricht 2 pN. Die zusätzliche Kraft ist entlang x Richtung. Der Wasserfluss wird durch die Asymmetrie des Systems induziert. Aufgrund der periodischen Randbedingung in allen drei Dimensionen wird das Blech kontinuierlich durch die Nähe des CNT-Eingangs geleitet und induziert einen stabilen Wasserfluss und -fluss.

Schnappschuss des Simulationssystems. Ein CNT mit einer Länge von 2,56 nm und einem Durchmesser von 0,81 nm, das zwei Wasserreservoirs verbindet, getrennt durch zwei Graphitplatten (salbeigrün, 5,1 × 5,1 nm ² ). Eine kleine Graphitfolie (blau) wird eng auf die große gelegt. Das System wurde in eine periodische Wasserbox mit 3328 Wassermolekülen eingebettet, die eine Nanometer-Wasserpumpe darstellt

Während unserer Simulationen befand sich das System in einem konstanten Volumen und einer konstanten Temperatur mit periodischer Box, und Wassermoleküle waren klassische TIP3P-Modelle [28]. Kohlenstoffatome waren ungeladene Lennard-Jones (LJ)-Partikel mit Parametern von σ _cc = 0,34 nm, ε _cc = 0,3612 kJ/mol; σ _co = 0,3275 nm, ε _co = 0,4802 kJ/mol [6]. Die PME-Methode wurde verwendet, um die langreichweitigen elektrostatischen Wechselwirkungen zu behandeln [29]. Die Simulationen laufen 125 ns auf der Software von Gromacs 4.6.5 [30] mit einem Zeitschritt von 2 fs (Daten werden alle 1 ps gesammelt), und die letzten 120 ns wurden gesammelt. Es wurden zwei unabhängige Simulationen durchgeführt, um Fehler zu reduzieren.

Ergebnisse und Diskussion

Die Brownsche Bewegung einer Graphitplatte

Zuerst untersuchen wir die Brownsche Bewegungsmode des Blattes bei verschiedenen Temperaturen. Um die Fähigkeit zu messen, einen Wasserfluss durch CNTs zu induzieren, definieren wir im Anschluss an die vorherige Arbeit [31, 32] den Auf- und Abfluss als die Menge an Wassermolekülen, die entlang der + z . durch das Rohr geleitet werden und − z Richtung bzw. Fluss =Aufwärtsfluss + Abwärtsfluss, Fluss =Aufwärtsfluss – Abwärtsfluss und unidirektionaler Transportwirkungsgrad η kann berechnet werden durch η = Fluss/Durchfluss. Der Wasserfluss und der Wasserfluss als Funktion der Blechtemperatur sind in Abb. 2 dargestellt. In unserer ursprünglichen Hypothese erhitzt das heiße Blech das Wasser herum und erzeugt dann eine Temperaturdifferenz entlang des CNT, um Wasser durch den Kanal zu treiben. Der Wasserfluss in den Simulationen ist jedoch nach oben gerichtet, was im Gegensatz zu unseren Erwartungen steht. Außerdem ist der Wasserfluss unempfindlich gegenüber der Blechtemperatur. Darüber hinaus liegt die Temperaturschwankung eines kleinen Blechs während unseres Simulationsprozesses im Bereich von 10 K. Tatsächlich ist der Wärmeaustausch zwischen dem Blech und der umgebenden Lösung aufgrund der Temperaturkontrolle von NVT-Simulationen schwach und kann vernachlässigt werden. Wie Abb. 2 zeigt, können wir unabhängig von der Schichttemperatur immer einen kontinuierlichen Nettofluss von etwa zwei Wassermolekülen pro Nanosekunde erhalten, was nahe am experimentellen Wert von 1,8 in Aquaporinkanälen liegt [24, 25], was auf potenzielle Anwendungen in hindeutet biologische Systeme. Inzwischen ist der Gesamtwasserdurchfluss fast unabhängig von der Blechtemperatur und sollte dem Fall ohne Blech ähnlich sein.

Der Wasserfluss und -fluss als Funktion der Blechtemperatur. Fehlerbalken werden für zwei Datenpunkte angezeigt

Der Bias-Wassertransport durch die Brownsche Bewegung eines Nanoblatts ähnelt dem osmotischen Prozess. Aus der Perspektive der Molekulardynamik sollte der Nettowasserfluss durch die Konkurrenz der Brownschen Bewegung der Wassermoleküle in der Nähe der beiden Eingänge des CNT-Kanals verursacht werden. Das Plättchen beeinflusst durch häufige Kollisionen die Geschwindigkeit von Wassermolekülen und verändert dann die Konkurrenzfähigkeit. Interessanterweise wird das Blech auf der Oberseite platziert, induziert jedoch den Wasserfluss von unten nach oben, was darauf hindeutet, dass der Effekt des Blechs die Wettbewerbsfähigkeit schwächt. Die Brownsche Bewegung des Blechs ist jedoch unregelmäßig und der Nettofluss ist bei großen Schwankungen unempfindlich gegenüber der Temperatur. Daher werden wir im nächsten Teil den unidirektionalen Bewegungsmodus des Blatts weiter diskutieren und weitere interessante Phänomene entdecken.

Dann erfassen wir die Wassertranslokationszeit und -belegung wie in Abb. 3 gezeigt. Hier ist die Translokationszeit die durchschnittliche Transitzeit für Wassermoleküle durch den CNT-Kanal. Ähnlich wie beim Wasserfluss schwankt die Translokationszeit mit der Blechtemperatur. Tatsächlich sollte die Translokationszeit dem Wasserfluss entsprechen, denn je schneller Wassermoleküle den Kanal passieren, desto größer sollte der Wasserfluss sein. Nichtsdestotrotz wird eine solche Anti-Relation hier durch die thermodynamische Fluktuation abgedeckt. Theoretisch wird die Belegung durch die Struktur des CNT-Kanals bestimmt. Da die einreihige Wasserkette erhalten bleibt, befinden sich mit leichten Schwankungen immer fast zehn Wassermoleküle im CNT-Kanal. Daher sind thermodynamische Schwankungen unvermeidlich, aber nicht bemerkenswert.

Die Wasserumlagerungszeit τ und Belegung <N> in Abhängigkeit von der Blechtemperatur

Da die thermodynamischen Eigenschaften von Wassermolekülen in schmalen CNTs ein weiteres wichtiges Thema sind, werden Dichteverteilungen und Anzahl der Wasserstoffbrücken (H-Brücken) als Funktion von z . gezählt Position in Abb. 4. Hier bilden die beiden Wassermoleküle eine H-Brücke, wenn ihr Sauerstoffabstand weniger als 0,35 nm beträgt und der Winkel zwischen OH-Bindung und O-O weniger als 30° beträgt. Der 2–4 nm große Teil von z Position entspricht dem CNT-Kanal, in dem sich Dichte und H-Brückenzahl von Volumenbereichen unterscheiden. Die Dichte im CNT ist fast viermal so hoch wie im Bulk, was auf das Potenzial der Massenspeicherung schließen lässt. Das wellenförmige Dichtemuster mit zehn Peaks stimmt aufgrund der einzigartigen CNT-Struktur mit der Belegung in Abb. 3 überein. Die Änderung der Zahl der H-Brücken zeigt auch den Prozess, bei dem ein Wassermolekül in das CNT eindringt, um eine einreihige Kette mit reduzierten H-Brücken zu bilden.

Dichte- und Wasserstoffbrückenzahlverteilung entlang z Achse und unterschiedliche Linienfarben sind für unterschiedliche Blechtemperaturen. Hier, ρ ₀ beträgt 1,0 g/cm ³ der Schüttwasserdichte

Wassermoleküle innerhalb des CNT mit einzigartigen Orientierungen wurden früh entdeckt [16]. Hier berechnen wir die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Wasser-Dipol-Orientierungen wie in Abb. 5 gezeigt. Um den Fehler zu reduzieren, mitteln wir die Daten aus den beiden unabhängigen Simulationen. <θ> ist der gemittelte Winkel zwischen dem Wasserdipol und dem z Achse, und es gibt fast zwei Zustände (20°–40° und 140°–160°) für die Wasserorientierungen. Das Muster ist in Bezug auf <θ> = 90° fast symmetrisch, was die einzigartige Dipolorientierung anzeigt. Insgesamt ist der Wassertransport unempfindlich gegenüber der Blechtemperatur. Dies liegt daran, dass die Brownsche Bewegung des Blatts aufgrund der starken hydrophoben Wechselwirkung zwischen Blatt und Membran immer auf der Graphenmembran stattfindet und die Wirkung des Blatts sehr begrenzt ist. Im Folgenden werden wir weiter auf den unidirektionalen Bewegungsmodus des Blattes eingehen, bei dem der Wassertransport stärker beeinflusst werden kann.

Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der durchschnittlichen Dipolorientierung von Wassermolekülen innerhalb des CNT und unterschiedliche Blechtemperaturen sind durch Linienfarben gekennzeichnet

Die unidirektionale Bewegung einer Graphitplatte

Da die Bewegung des Blattes für die Aufführung wichtig sein sollte, untersuchen wir weiter einen typischen nicht-Brownschen Bewegungsmodus, d. h. die unidirektionale Bewegung. Das Blatt wird durch eine zusätzliche Kraft angetrieben und bewegt sich mit stabiler Geschwindigkeit auf der Graphenmembran. Interessanterweise sind der Wasserfluss, der Wasserfluss und die unidirektionale Transporteffizienz η mit zunehmender Kraft schnell zunehmen, wie in Abb. 6a zu sehen. Um die Dynamik des Blattes zu beschreiben, führen wir dann die eindimensionale Langevin-Gleichung ein:

wo, m ist die Blattmasse, F ist die treibende Kraft, R (t ) ist die Kraft, die durch die zufälligen Kollisionen von Wassermolekülen verursacht wird, und ξ ist der Reibungskoeffizient. Die zufälligen Kollisionen sind kompliziert, und hier zählen wir nur R (t ) als gegenseitig versetzte Kollisionen und <R (t )> =0. Im stationären Zustand behält das Blatt eine gleichförmige Geschwindigkeit bei und die Reibungskraft ist gleich der Antriebskraft. Somit

a Wasserfluss, Durchfluss und unidirektionale Effizienz η und b die Bogengeschwindigkeit V _x und Reibungskoeffizient ξ als Funktion der Antriebskraft F

Wir zeigen die Geschwindigkeit (aus der MD-Trajektorie) und den Reibungskoeffizienten an ξ als Funktion der Antriebskraft in Fig. 6b. Die Geschwindigkeit nimmt entsprechend dem Verhalten von Fluss und Strömung nahezu linear mit der Antriebskraft zu, während der Reibungskoeffizient insgesamt abnimmt. Daher sollten der Wasserfluss und der Wasserfluss direkt mit der Blattgeschwindigkeit in Beziehung stehen. Aus molekulardynamischer Sicht zieht das Blatt die umgebenden Wassermoleküle mit, da der Konkurrenzeffekt besteht und schwächt die Konkurrenzfähigkeit der Oberseite. Je schneller sich das Blatt bewegt, desto schwächer sollte die Wettbewerbsfähigkeit sein. Wenn die Kraft 1,6 pN überschreitet, neigt der Fluss dazu, sanft zu sein, fast 16 pro Nanosekunde, was fast das Achtfache des Brownschen Modus ist. Offensichtlich ist diese unidirektionale Bewegung effizienter als die zufällige Brownsche Bewegung. Daher ist das künstlich kontrollierte Blatt eine weitere alternative Strategie für die Umkehrosmose, bei der das Blatt durch einige fortschrittliche experimentelle Technologien wie optische Pinzetten [26] und Rasterkraftmikroskopie [27] manipuliert werden könnte.

Bemerkenswerterweise führt die Erhöhung der Blattgeschwindigkeit und der Antriebskraft zu einer stärkeren Schwächung der Konkurrenz der Oberseite als der Brownsche Modus. Um den Einfluss der Wasserbewegung weiter zu verdeutlichen, zeigen wir in Abb. 7 die durchschnittliche Translokationszeit und -belegung als Funktion der Triebkraft. Beide zeigen nahezu lineare Beziehungen mit der Triebkraft, die sich von den Ergebnissen von . unterscheiden Abb. 3. Der Abfall der Translokationszeit entspricht dem zunehmenden Verhalten der Wasserströmung in Abb. 6a, das durch den Widerstand des Blattes verursacht werden sollte. Aus einem anderen Gesichtspunkt sollte die thermische Konkurrenzfähigkeit der Oberseite verringert werden, wenn die Schicht umgebende Wassermoleküle mitzieht, was die Wasserpermeation von unten nach oben durch den CNT-Kanal erleichtert.

Die Translokationszeit τ und Belegung <N> als Funktion der Antriebskraft

Wir präsentieren weiterhin die Wasserdichteprofile, H-Brücken- und Wasserdipolverteilungen in Abb. 8. Wie in Abb. 8a zu sehen ist, werden die Dichteprofile und die H-Brücken nur geringfügig von der Blattbewegung beeinflusst. Unter der großen Kraft von 1,8 pN werden beispielsweise die wellenförmigen Dichtepeaks reduziert und die H-Brückenverteilung wird leicht asymmetrisch. Eine ähnliche Änderung findet sich für die Wasserdipolorientierung in Abb. 8b. Unter der Gleichgewichtsbedingung, z. B. für die Brownsche Bewegung oben, treten die beiden Orientierungsereignisse mit ähnlicher Wahrscheinlichkeit auf, was zu einer ähnlichen Peakhöhe führt, wie in Abb. 5 zu sehen ist. Wie wir jedoch besprochen haben, sollte die unidirektionale Bewegung des Blatts haben mehr Einfluss auf die Wasserkette als die Brownsche Bewegung. Dies liegt daran, dass das fließende Blatt das umgebende Wasser aufgrund der Lennard-Jones-Wechselwirkung zwischen Blatt und Wasser in Bewegung bringt und somit die Bewegung oder Ausrichtung des Wassers in der Nähe des CNT-Eingangs beeinflusst. Daher werden die Dipolorientierungen in Abb. 8b asymmetrisch. Obwohl die Dynamik und Thermodynamik von begrenztem Wasser durch die unidirektionale Bewegung aufgrund der Erhaltung der einreihigen Wasserkette stärker gestört werden kann, ist eine solche Störung insbesondere für die Thermodynamik und die Schlüsselmerkmale der Dichte, H-Brücke , und Dipol sind dem Fall der Brownschen Bewegung nahe. Folglich können unterschiedliche Bewegungsmodi des Blatts einen größeren Einfluss auf die Wasserdynamik als auf die Thermodynamik haben.

a Die axialen Wasserdichtigkeitsprofile und die Zahl der Wasserstoffbrückenbindungen als Funktion von z Position entlang der CNT für unterschiedliche Kraft. b Wahrscheinlichkeitsverteilung der durchschnittlichen Dipolorientierung von Wassermolekülen innerhalb des CNT für unterschiedliche Kräfte

Zusätzliche Diskussion

Es wird angenommen, dass der anfängliche Abstand zwischen der Graphenschicht und dem CNT-Eingang einen trivialen Effekt auf den Wasserfluss und den Fluss durch das CNT haben sollte. Wir haben das Blatt tatsächlich zufällig auf die obere Graphenmembran gelegt, wo das Blatt ohne Wasser dazwischen direkt an der Oberfläche adsorbiert wird, wie in Abb. 1 oben zu sehen ist. Auf diese Weise bewegt sich die Schicht aufgrund der starken hydrophoben Wechselwirkung zwischen Schicht und Membran immer auf der Oberfläche, wodurch ein asymmetrisches nanofluidisches System bereitgestellt wird. Wie in Abb. 9 gezeigt, haben wir den mittleren Abstand von Schichtmembran und Schicht-CNT sowohl für die Brownsche als auch für die unidirektionale Bewegung berechnet. Auffallend ist, dass der mittlere Abstand der Blatt-Membran für beide Fälle auf 0,34 nm festgelegt ist, was genau dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Lennard-Jones-Potentialdurchmesser entspricht. Somit wird die Folie immer an der Membranoberfläche adsorbiert. Für die Brownsche Bewegung in Abb. 9a ist der Abstand von Blech-CNT ebenfalls eine Konstante, die von der Blechtemperatur unabhängig ist. Dies ist eindeutig auf die hydrophobe Wechselwirkung zwischen Schicht und CNT zurückzuführen, die dazu führt, dass sich die Schicht in Bezug auf die CNT einkreist. Wir sollten auch beachten, dass in unserem Simulationsaufbau der CNT-Eingang die Position der Graphenmembran um 0,2 nm überschreitet, und dies kann gut verhindern, dass der Eingang durch die Folie blockiert wird. Es wird angenommen, dass, wenn das Blatt nicht anfänglich auf die Membran gelegt wird, es sich im Reservoir zufällig bewegen kann und eine gewisse Wahrscheinlichkeit haben sollte, den CNT-Eingang zu blockieren. Darüber hinaus zeigt für die unidirektionale Bewegung in Fig. 9b der Abstand der CNT-Schicht ein zunehmendes Verhalten mit zunehmender Kraft, entsprechend dem Fließ- und Flussverhalten. Bei geringer Kraft kann das Blatt tatsächlich für eine Weile in der Nähe des CNT eingeklemmt werden, während die größere Kraft das Passieren des Blatts beschleunigen kann, was zu einem größeren Abstand führt. Darüber hinaus sollte der anfängliche Abstand der CNT-Schicht keinen nennenswerten Einfluss auf den Wasserfluss und -fluss haben, während dies bei der Schichtmembran möglich wäre. Befindet sich die Schicht jedoch anfänglich in Wasser statt auf der Membran, sollte das System symmetrisch werden, was von unserem ursprünglichen Ziel abweicht, und das Phänomen des Bias-Transports sollte verschwinden.

Der mittlere Abstand von Blatt-Membran und Blatt-CNT für verschiedene Simulationsbedingungen:a Brownsche Bewegung und b unidirektionale Bewegung

Für die Brownsche Bewegung sind die mittleren Temperaturen von Wasser und Blech während des Simulationsprozesses in Abb. 10 als Funktion der Zielblechtemperatur dargestellt. Wir können sehen, dass die mittlere Temperatur des Blechs streng auf seine Sollwerte kontrolliert werden kann, und ähnlich wird der mittlere Wert des Wassers auch bei T . gehalten = 300 K. Tatsächlich haben wir die Nose-Hoover-Methode verwendet, um die Temperaturen von Blatt und Wasser zu kontrollieren. Im Allgemeinen kann in den NVT- (oder NPT-) Ensembles von MD-Simulationen der Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Molekülen aufgrund des Thermostats nicht stattfinden. Die intermolekularen Kollisionen zwischen der Folie und dem umgebenden Wasser sollten jedoch austreten, auch wenn sie letztendlich vom Thermostat abgestimmt werden. Die Kollisionen des sich bewegenden Blattes können die momentane Geschwindigkeit oder deren Richtung umgebender Wassermoleküle beeinflussen und somit letztendlich die Wahrscheinlichkeit ändern, dass Wasser in das CNT eindringt. Trotzdem ist es immer noch sehr schwierig, einen solchen sofortigen Einfluss des Blattes auf das Wasser zu erfassen, da er in sehr kurzer Zeit erfolgen sollte, möglicherweise in weniger als der Datenerfassungszeit von 1 ps. Daher können wir annehmen, dass die Plattenvibration die thermische Fluktuation des umgebenden Wassers beeinflussen und die Wettbewerbsfähigkeit des oberen Reservoirs schwächen kann, was zu dem Bias-Transport-Phänomen führt.

Die mittleren Temperaturen von Blech und Wasser als Funktion der Zielblechtemperatur

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine neue Strategie für die Wasserpumpe durch moleküldynamische Simulationen vorgeschlagen und einen beträchtlichen Nettowasserfluss basierend auf der spontanen Wasserdurchlässigkeit erreicht. Wassermoleküle treten aufgrund der Brownschen Bewegung in den CNT-Kanal ein, während zwei Seiten von CNT miteinander konkurrieren und sich ausgleichen. In unserer Forschung schwächt ein sich auf der Membran bewegendes kleines Blatt die Wettbewerbsfähigkeit einer Seite und induziert einen kontinuierlichen Nettofluss. Während der Simulationen stellen wir fest, dass der Bewegungsmodus des Blatts der Schlüssel zur Leistung ist. Die reine Brownsche Bewegung induziert einen kleinen stabilen Nettowasserfluss von etwa 2 ns ⁻¹ das ist unabhängig von der Blechtemperatur, während die unidirektionale Bewegung je nach Antriebskraft auf das Blech einen deutlich höheren Fluss erzeugen kann. Darüber hinaus verringert sich mit zunehmender Antriebskraft die Wasserumlagerungszeit linear, entsprechend dem Wasserfluss- bzw. Flussverhalten. Darüber hinaus hat die unidirektionale Bewegung einen größeren Einfluss auf die Wasserdynamik und Thermodynamik. Konsequenterweise präsentierten wir kreativ die Nutzung der Durchlässigkeit des Naturwassers, die durch ein auf die Membran gelegtes Graphitplättchen erreicht wird, was für die RO-Technologie hilfreich wäre.

Abkürzungen

CNT:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

MD:

Molekulardynamik

RO:

Umkehrosmose