Transcript 自然現象之微觀觀點

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
•
•
•
•
•
•
H2O@C60：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 O@C 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H2O@C60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， H2O@C60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H2O@C60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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