亚 2 纳米碳纳米管内甘油分子的受限静态微结构与动力学：分子动力学研究

为探究亚 2 nm 碳纳米管（CNTs）中甘油分子受限行为，研究人员通过分子动力学（MD）模拟发现，随管径增大，甘油分子排列从单链转至单层环、多层结构，自扩散系数变化显著，且氢键（HB）参数可作为扩散系数指标，为纳米限域调控提供依据。

　　

在纳米科技与生物医学交叉领域，微小空间内流体分子的行为调控一直是研究难点。甘油作为兼具生物相容性与工业价值的分子，其在亚 2 纳米孔径中的受限行为与传统 bulk（体相）状态差异显著。例如，在纳米催化、电池电解质等应用中，亚 2 纳米孔隙环境可显著提升甘油转化效率，但背后的分子机制 —— 如空间分布、氢键网络与扩散动力学的关联 —— 尚不完全明确。此外，水甘油通道蛋白（aquaglyceroporins）等生物纳米通道中，甘油分子的快速扩散现象提示特定氢键结构可能起到关键作用，但人工纳米孔道中孔径对氢键特性的影响仍需深入解析。

为解决上述问题，南京工业大学的研究人员开展了分子动力学（MD）模拟研究，系统探究亚 2 纳米直径碳纳米管（CNTs）中甘油分子的微结构与动力学特性。该研究以六种扶手椅型 CNTs（管径 0.946-2.168 nm）为模型，通过分析甘油分子的空间排布、氢键参数（平均氢键数 <n_HB>、双氢键分子占比f₂、氢键平均寿命 <τ_HB>）与自扩散系数的关联，揭示了纳米限域效应下的独特规律，研究成果发表在《Fluid Phase Equilibria》。

研究主要采用全原子经典分子动力学模拟技术，使用 Chelli 等开发的甘油分子力场，构建包含不同管径 CNTs 的模拟体系，通过计算径向密度分布、自扩散系数及氢键网络参数，分析受限甘油分子的结构与动力学特征。

空间分布与结构演变

通过相对径向密度分布（RRDP）分析发现，甘油分子在 CNTs 内的空间排布随管径显著变化：当管径≤1.085 nm（如（7,7）和（8,8）CNT）时，分子呈紧密排列的单链（single-file chain）结构；管径增至 1.221-1.356 nm 时，转变为单层环状（single-layer ring）分布；而当管径≥1.628 nm 时，形成多层结构（multi-layer structure）。这种演变表明，纳米空间尺寸是调控分子排列模式的核心因素。

自扩散系数的孔径依赖性

模拟结果显示，甘油分子的平均自扩散系数随管径增大呈先升后降趋势，在（8,8）CNT（管径 1.085 nm）中达到最大值 4.26×10^-8 m²/s，较水甘油通道蛋白中的扩散速率高一个数量级。这一现象表明，特定孔径下的单链松弛排列可极大促进分子迁移，突破了传统认为生物通道扩散效率最优的认知。

氢键网络与扩散动力学的关联

通过氢键微结构分析发现，<n_HB> 与f₂的乘积除以 <τ_HB>（即 <n_HB>*f₂/<τ_HB>）与自扩散系数呈正相关。具体而言，单链结构中甘油分子形成双氢键的比例较高，且氢键寿命较短，使得分子间相互作用动态可调，从而加速扩散。这一发现为通过氢键参数预测受限流体动力学行为提供了理论依据。

结论与意义

该研究首次系统揭示了亚 2 纳米 CNTs 中甘油分子的结构 - 动力学关联，证实孔径调控可诱导分子排列从单链到多层的转变，并通过氢键网络的动态重组显著影响扩散效率。研究结果不仅解释了生物纳米通道中甘油快速扩散的机制，更表明人工纳米孔道可通过精准设计孔径尺寸，实现对受限分子行为的定向调控，为纳米催化、生物分离、纳米药物递送等领域提供了新的设计思路。例如，在燃料电池电解质优化或酶催化纳米反应器设计中，可借鉴该研究中 “特定孔径 - 氢键结构 - 高效扩散” 的关联模型，提升纳米器件的功能性能。此外，研究提出的氢键参数组合作为扩散指标，为后续纳米限域流体研究提供了关键分析工具，推动了跨尺度分子动力学模拟在生命科学与纳米技术中的应用。