[发明专利]一种纳米尺度的单向阀结构及其功能的模拟验证方法

说明书

本发明公开了一种纳米尺度的单向阀结构，包含两片均具有弯曲部的石墨烯层，两片石墨烯层的弯曲部向同一侧弯曲并紧密贴合形成纳米狭缝。本发明另一方面还提供了一种所述纳米尺度单向阀功能的模拟验证方法。本发明的有益效果是：能够实现在纳米尺度控制溶液的单向导通。并通过计算机模拟的方法，验证了本发明中纳米单向阀结构的功能。本发明中的纳米结构能够为纳米单向阀的实验制备提供有效方案；本发明中的纳米单向阀功能的模拟验证方法简单、可靠、成本低，适用于其它纳米单向阀结构功能的验证。

技术领域

本发明涉及属于纳米材料技术领域，特别是一种纳米尺度的单向阀结构及其功能的模拟验证方法。

背景技术

理论研究和实验研究均表明，纳米流体具有众多特殊性质，相关技术在海水淡化、生物制药、筛选分离和电子电气领域具有重要的应用前景。具有不同功能的纳米器件是纳米流体及其技术进行推广应用的基础。近些年，由于纳米技术和工艺的发展，纳米器件的合成和制备变得更加简便、精确，且成本显著降低。因此，设计具备特殊功能的纳米器件结构对指导实验的合成和制备及推进纳米流体技术的实际应用具有重要意义。

宏观尺度的单向阀已被广泛应用于各个工业领域。它能够确保流体只能正向流动通过阀门，而截止流体的反向流动，从而实现流体的单向导通功能。在纳米流体领域，研究人员多集中于关于对不同纳米通道结构、组成和化学修饰等的研究，并对纳米流体在通道中的输运特性和组装情况等进行深入分析。通过这些研究，已经设计或制备了圆形、椭圆形、层状和多层叠加等通道类型，并获得了流体在通道中的输运性质和规律。尽管如此，尚未发现关于纳米尺度单向阀结构的设计和研究的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种纳米尺度的单向阀结构及其功能的模拟验证方法。与宏观尺度单向阀功能类似，纳米单向阀能够保证纳米流体在通道内的单向流通，有效防止流体反向回流。该结构在纳米流体调控、维持孔道压力、药物可控释放等领域具有潜在应用前景。另外，纳米单向阀还能够作为结构单元或组成部分，设计和制备出具有其它功能的纳米器件。因此，纳米单向阀结构的设计在纳米流体技术进一步推广和实际应用方面具有重要意义。

本发明设计了一种纳米尺度的单向阀结构，并采用计算机分子动力学模拟方法对该纳米单向阀结构的功能进行了验证。通过该模拟验证方法确认，该纳米结构能够实现纳米流体的单向导通功能，对纳米单向阀的实验制备和其它纳米单向阀结构的设计提供指导意义。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种纳米尺度的单向阀结构，包含两片均具有弯曲部的石墨烯层，两片石墨烯层的弯曲部向同一侧弯曲并紧密贴合形成纳米狭缝。

所述纳米狭缝是溶液通过单向阀的通道和开关，当单向阀两侧压差在合理范围内时，单向阀能够控制溶液的单向导通：当压差方向为正向，且达到开启压差时，该纳米单向阀能够打开，流体可以正向流动；当压差为反向时，且小于最大工作压差时，单向阀不能开启，流体不能反向流动，从而实现控制流体溶液单向导通的功能。

以通过所述纳米狭缝的流体的流向为前，以两片石墨烯层所处的方位分别为上方和下方，位于上方的石墨烯层为第一石墨烯层，位于下方的石墨烯层为第二石墨烯层，第一石墨烯层的上部为固定部，第一石墨烯层的下部为弯曲部，第二石墨烯层的下部为固定部，第二石墨烯层的上部为弯曲部，第一石墨烯层的弯曲部和第二石墨烯层的弯曲部均向前侧弯曲。第一石墨烯层的固定部和第二石墨烯层的固定部作为单向阀结构的支撑部分。

优选的，所述的第一石墨烯层和第二石墨烯层均由一条母线沿左右方向水平延伸形成，即所述的第一石墨烯层任意部位被沿前后方向延伸的垂面截得的截面均相同且位于同一位置，第二石墨烯层任意部位被沿前后方向延伸的垂面截得的截面均相同且位于同一位置。

进一步优选的，所述的第一石墨烯层的固定部和第二石墨烯层的固定部均大致沿上下方向延伸。