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; q1, 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.
