水溶液中超高速納米齒輪的分子動力學模擬

梁棟，付中玉，孫康，徐震

摘 ?要： 本文根據(jù)在旋轉電場的誘導下，懸浮于水溶液中的碳納米管可以借助于水偶極子方向能夠發(fā)生旋轉這一原理提出一種超高速、易組裝、摩擦力小的T型納米馬達轉子，并在納米馬達轉子的基礎上設計出新型納米齒輪傳動系統(tǒng)。該納米齒輪傳動系統(tǒng)可應用于全部為水溶液或者部分為水溶液的工作環(huán)境。通過Gromacs軟件仿真結果發(fā)現(xiàn)，調整旋轉電場轉速或者改變旋轉電場場強可以減小納米馬達轉子與水分子偶極之間的滯后角，使得納米馬達轉子在最短時間內與旋轉電場步調保持一致。該模擬仿真結果對于納米齒輪的應用以及復雜機構納米旋轉設備的設計有著重要參考價值。

關鍵詞： T-型馬達;分子動力學;納米齒輪;旋轉電場;超高速設備

中圖分類號： TP271+.3 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.014

本文著錄格式：梁棟，付中玉，孫康，等. 水溶液中超高速納米齒輪的分子動力學模擬[J]. 軟件，2019，40（12）：6165

Molecular Dynamics Simulation of Ultra-high Speed Nanogear in Aqueous Solution

LIANG Dong， FU Zhong-yu， SUN Kang， XU Zhen*

（Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

【Abstract】： Based on the principle that carbon nanotubes suspended in aqueous solution can be rotated by the principle of water dipole， a T-type nanomotor with ultra-high speed， easy assembly and low friction is proposed. The new nanogear transmission system is designed on the basis of the nanomotor rotor. The nanogear transmission system can be applied to a working environment in which all are aqueous solutions or partially aqueous solutions. Through the simulation results of Gromacs software， it is found that adjusting the rotating electric field speed or changing the rotating electric field strength can reduce the lag angle between the nanomotor rotor and the water molecule dipole， so that the nanomotor rotor is consistent with the rotating electric field in the shortest time. The simulation results have important reference value for the application of nanogears and the design of nano-rotating equipment in complex mechanisms.

【Key words】： T-type motor; Molecular dynamics; Nanogear; Rotating electric field; Ultra-high speed devices

0 ?引言

由于納米尺度下的物質表現(xiàn)出很多新穎甚至奇異的特性[1]，使得納米器件的性能有別于宏觀器件。另外，納米齒輪[2-8]是納機電系統(tǒng)不可缺少的一部分，如納米機器人、分子汽車、納米水泵等[9-12]。因此，近些年來，納米齒輪已引起了許多領域學者的廣泛關注，成為熱門的研究課題。

宏觀機械齒輪在許多機械設備中主要用來產生和控制旋轉運動，例如鐘表、手表、變速箱、汽車、機器人等等。在微觀層面上，有兩種齒輪，分子齒輪和納米齒輪。分子齒輪是以分子中的單鍵作為旋轉軸，這樣的分子單鍵為分子齒輪的合成提供了設計經驗，同時也為納米齒輪的研究提供了理論基礎。……