Hydrogen Bond Dynamics and Phase Transitions of Water inside Carbon Nanotubes

碳纳米管 材料科学 分子动力学 化学物理 扩散 氢键 阿累尼乌斯方程 菲克扩散定律 相(物质) 纳米技术 分子 热力学 化学 计算化学 活化能 物理化学 物理 有机化学
作者
Amit Srivastava,Jamal Hassan,Dirar Homouz
出处
期刊:Nanomaterials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:13 (2): 284-284 被引量:5
标识
DOI:10.3390/nano13020284
摘要

Water dynamics in nanochannels are altered by confinement, particularly in small carbon nanotubes (CNTs). However, the mechanisms behind these effects remain unclear. To address these issues, we carried out extensive molecular dynamics (MD) simulations to investigate the structure and dynamics of water inside CNTs of different sizes (length of 20 nm and diameters vary from 0.8 nm to 5.0 nm) at different temperatures (from 200 K to 420 K). The radial density profile of water inside CNTs shows a single peak near the CNT walls for small nanotubes. For CNTs with larger sizes, water molecules are arranged into coaxial tubular sheets, the number of which increases with the CNT size. Subdiffusive behavior is observed for ultranarrow CNTs with diameters of 0.8 nm and 1 nm. As the size of CNTs increases, Fickian diffusion becomes evident. The hydrogen bond correlation function of water inside CNT decays slower than in bulk water, and the decay rate decreases as we increase the diameter of the CNTs. In large CNTs, the hydrogen bond lifetime of the innermost layer is shorter than the other layers and depends on temperature. Additional analysis of our results reveals that water molecules along the CNT axis show a non-Arrhenius to Arrhenius diffusion crossover. In general, the diffusion transition temperature is higher than that of bulk water, but it depends on the size of the CNT.
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