Вода у вуглецевих нанотрубках
В цій частині роботи досліджено поведінку води всередені вуглецевих нанотрубок .
Вода у процесах дифузії крізь нанотрубки грає роль середовища , тому її поведінка суттєво впливає процес на проходження речовини крізь нанотрубку .
Дипольний момент води
Перед тим як перейти до результатів які стосуються дипольного моменту води в вуглецевих нанотрубках , декілька слів відносно моделей води які використовують в молекулярній динаміці .
На сьогодні існує досить велика кількість моделей води які використовуються в обчислювальній фізиці ( порядка 45 моделей ) .
Кожна з моделей зазвичай розроблена щоб коректно відтворювати ті чи інші параметри реальної води .
Також різні моделі води сильно відрізняються за кількістю обчислювальних ресурсів які необхідно витратити для моделювання систем з їх використанням .
Використання більш « обчислювально важких » моделей може покращити відповідність деяких параметрів до параметрів реальної води , але водночас накладає сильні обмеження на величину модельованої системи та на досяжні часи такого моделювання .
Так прості моделі можуть бути використані для моделювання великих ( > 10000 молекул ) систем на досить великі часи
( >10 нс ) , в одночас для складніших моделей досяжні розміри модельованих систем порядка 100 - 1000 молекул та часи порядка пікосекунд .
З одної сторони складніші моделі краще описують параметри води , але обмеження на розміри системи і досяжні часи моделювання може викликати небажані артефакти .
На даний момент немає таких моделей води , за допомогою яких можливим було б моделювання кубу води розміром 100х100х100 нм на часи порядка мілісекунд чи більше .
Таким чином вибір моделі води яку використовувати під час моделювання є досить складним питанням і сильно залежить від параметрів системи які є предметом безпосереднього інтересу .
Можна умовно поділити всі моделі води за кількістью сайтів взаємодії ( interaction site ) .
Взаємодія з реальною молекулою заміняється на взаємодію з потенціалами з центрами у сайтах взаємодії .
Таким чином всі моделі поділяють моделі з трьома , чотирма , п'ятьма або шістьма сайтами взаємодії .
Загальна схема цих моделей зображена на рис . 8 .
Всі атоми в моделях на рис . 8 а ) , b ) , c ) знаходяться в одній полщині , а на рис . 8 d ) – структура майже тетрагональна .
Параметрами l1 , l2 позначено відповідні відстані , θ , φ – кути ; q 1 , q2 – заряди ; σ – параметр Ван-дер-Ваальсової взаємодії ( саме ним визначається « радіус » молекули ) .
Нижче наведена таблиця з параметрами для деяких моделей ( табл . 1 ) .
Параметр ε у цій таблиці це один за параметрів якими задається Ван-дер-Ваальсова взаємодія для потенціалу Леннарда - Джонса .
Грубо кажучи він відповідає за « глибину » мінімуму цього потенціалу .
Крім кількості сайтів взаємодії моделі відрізняються й іншими характеристиками .
Наприклад в деяких моделях параметри l1 та l2 є незмінними ( жорсткі моделі ) , або змінюються ( гнучкі моделі ) .
Форма потенціалу який діє на атоми при зміні параметрів l1 та l2 теж може бути різною ( гармонічний / агармонічний ) .
Також деякі моделі враховують поляризацію молекули води ( SPC / Fw , TIP3P / Fw , PPC , SWM6 та інші ) .
В таблиці 2 наведено деякі фізичні властивості моделей .
Таблиця 3 містить дані про відхилення значень деяких параметрів від експериментального значення ( теплоємність , в’язкість та теплопровідність ) .
Дані подано у відсодках від експериментального значення .
В таблиці 4 наведено дані про квадрупольні та октупольні моменти води для різни моделей .
Початок координат для квадрупольних моментів співпадає з положенням атому оксигену , для октупольних моментів з центром мас .
Орієнтація осей згідно з рис . 9 .
