纳米孔隙内混合气体流动特性的分子动力学模拟

纳米孔隙内气体流动的理论预测对气体微流控器件的设计和制造具有重要的理论指导作用,文章采用分子动力学方法研究了氮气、氧气和二氧化碳混合气体在平行壁纳米孔隙内的剪切流动特性和边界滑移特性.研究结果表明:随着加入二氧化碳比例的不断增加,混合气体滑移速度不断增大,并且当二氧化碳的比例低于20%时,混合气体流动速度沿孔隙宽度方向呈线性分布;而当比例达到40%后,其速度轮廓将呈现非线性趋势.当二氧化碳所占比例为20%时,随着孔隙宽度的增加,混合气体的整体边界滑移随之减小.探究了混合气体密度和气-固耦合强度对混合气体流动及边界滑移的影响机理.发现随着混合气体密度的减小,气流边界滑移增大;随着气-固界面耦合强度的增强,边界气体分子易被吸附而出现黏滑运动,气体分子在边界处的积聚现象增强,剪切应变率增大,边界滑移减小.      

非晶氧化钛薄膜形成过程中钛离子能量对表面结构影响的机理

研究了非晶氧化钛薄膜沉积过程中入射钛离子能量对表面结构形成机理以及薄膜特性的影响.模拟结果表明,通过提高入射钛离子能量,可以有效降低成膜表面粗糙度,从而减小薄膜表面的光学散射损耗.研究发现,当入射离子能量提高后,薄膜生长模式从"岛"状生长过渡到了"层"状生长,且离子入射点附近的平均扩散系数也有显著增加,这有利于形成更加平整的高质量薄膜表面.     

纳米通道内超疏水性表面气泡的运动

疏水表面纳米气泡的运动有重要的应用价值和研究意义。本文采用分子动力学方法,模拟了纳米通道壁面为超疏水性时壁面上气泡的运动状况。在质量力驱动下,随着外界驱动力的增大,两壁面上的气泡被逐渐拉长,同时逐渐变得扁平;前端"接触角"逐渐增大,而后端"接触角"逐渐减小。纳米通道内疏水性表面的纳米气泡随着外部驱动力的变化呈现出不同的形态,变化程度随着驱动力的增大而增大。在不同驱动力作用下,两个气泡总是保持相同的速度,气泡的速度与外力驱动的大小呈线性增长趋势。随着外力的增大,边界层及通道中心速度皆呈现增大趋势。     

不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟

随着电子元件高性能化和小型化的发展,纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注.本文采用分子动力学模拟方法,模拟了300,325,350 K的纳米通道中流体的流动传热情况,工质为水,水中不凝性气体用氩气代替.结果表明:流动过程中,氩原子形成高势能团簇,随着温度升高,流体势能上升,团簇逐渐减小或消失;少量气体原子能够促进流动,而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动,同时,被加热的工质能显著减小流动阻力系数;近壁面区域流体温度高于中心区域,团簇内部原子活动更加剧烈,平均分子动能更大,温度更高;水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热,氩原子会影响氢键数量,高温会破坏水分子形成的氢键网络,使努塞尔数下降.本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理,为电子设备的强化传热提供了理论指导.     

纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

微通道内流动因表面积/体积比值极大, 造成许多微尺度效应, 进而使微通道内出现完全不同于宏观流动的流体密度分布特性. 本文以纳米通道内液态Poiseuille流为对象, 采用非平衡分子动力学模拟方法研究了流体原子间相互作用强度ε_LL, 流体原子间平衡距离σ_LL以及壁面原子与流体原子间平衡距离σ_LS对通道内流体密度分布的影响规律. 数值模拟中, 统计系综取微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为Rigid-atom壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用Verlet算法. 模拟结果表明, 随ε_LL的减弱, 近壁面区密度分布的振荡幅度则逐渐增大; 而σ_LL 则同时影响流体原子的存在形态和密度分布, 较大的σ_LL 会造成流体原子在整个通道内呈现面心立方结构的类似固体排列, 较小的σ_LL会使得流体原子呈现不断变化的 "团簇" 结构; 随σ_LS的变大, 近壁面区流体密度振荡幅度增大, 且流体密度分布起点离壁面越远. 另外, 本文还从近壁面区流体原子的 "俘获-逃逸" 行为角度, 初步解释了原子间相互作用强度对密度分布的影响规律. 关键词： 纳米通道 微流动 密度分布 分子动力学     

岩石中孔隙流体含量对超声波衰减影响的实验研究

目前,关于岩石中孔隙流体含量对超声波衰减影响的实验数据还很少。本文介绍的由瞬态波形存贮器和微机控制系统组成的超声波信号采集与数字处理系统,适于实验室内测量超声衰减与流体含量的变化关系。作者以砂岩试件作了实验并取得一些有价值的数据。 实验研究结果,表明砂岩中横波衰减随饱和度增加而增加,纵波衰减随饱和度增加有一个明显的峰值出现。砂岩中声波衰减的品质因数Q值比声波速度v值反映岩石的物理力学性质更灵敏。从所得数据看,同一岩石的Q值随含水量变化量为速度变化量的五倍以上。     

纳米水通道内水的流动特性研究

由于纳米水通道在水处理方面的潜在应用以及它与生物水通道的相似性,人们对纳米水通道的研究受到广泛重视.文章重点介绍了近10年来在纳米水通道方面的研究进展,特别是在外力或外电场扰动下,纳米碳管内水的流动特性.主要包括:热噪音环境下受控水通道内水流的开关特性;外电场驱动下纳米管道内水流的行为;受生物水通道的复杂结构启发的纳米水泵设计.     

纳米水通道内水的流动特性研究

由于纳米水通道在水处理方面的潜在应用以及它与生物水通道的相似性,人们对纳米水通道的研究受到广泛重视.文章重点介绍了近10年来在纳米水通道方面的研究进展,特别是在外力或外电场扰动下,纳米碳管内水的流动特性.主要包括：热噪音环境下受控水通道内水流的开关特性;外电场驱动下纳米管道内水流的行为;受生物水通道的复杂结构启发的纳米水泵设计.     

KOH活化对焦炭孔隙结构以及导电特性影响

以木质素为原料,采用化学活化法(KOH活化剂)进行活化处理,分别探讨了不同活化温度、活化时间、KOH/木质素质量比R值对焦炭孔隙结构以及导电特性的影响规律。通过氮吸附(BET)、扫描电镜(SEM)和电阻率测定仪对焦炭性能进行表征。结果表明,KOH活化有效改善了焦炭的孔隙结构,通过增加焦炭微孔量提高了焦炭比表面积。实验得出的最优活化工况为:活化温度800℃,活化时间1 h,质量比R=3,此时焦炭达到最大比表面积。KOH活化后,焦炭电阻率最低可降至0.226Ω·cm。     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

碳纳米管表面金纳米颗粒的形成与结构转变

利用分子动力学模拟研究了室温下金纳米颗粒在碳纳米管表面的结构和作用能.研究结果表明,金纳米颗粒随着尺寸的增大会发生不同于孤立状态下的结构转变.当原子数小于130时,颗粒属于无序结构;当原子数大于140时,呈现面心立方晶体结构.小金纳米颗粒和碳纳米管结合紧密,相互作用能正比于面对碳纳米管的颗粒表面面积. 关键词： 金纳米颗粒 碳纳米管 分子动力学模拟     

Influence of flow on the structure and dynamics of clusters in complex plasma systems

The influence of flow with different strengths, positions, and widths on the structure and dynamics of clusters is studied by two-dimensional (2D) Langevin molecular dynamics simulations. The particles are confined by a quadratic confining potential. The horizontal position of the system centre, average inter-particle distance, and coupling parameter are calculated to characterize the effect of changing the strength, position, and width of the flow on the cluster structure. The trajectories, the velocity autocorrelation function, and the mean square displacement are obtained to further uncover the dynamic properties of the 2D dusty plasma system.     

Effects of wettability and interfacial nanobubbles on flow through structured nanochannels: an investigation of molecular dynamics

Solid–fluid boundary conditions are strongly influenced by a number of factors, including the intrinsic properties of the solid/fluid materials, surface roughness, wettability, and the presence of interfacial nanobubbles (INBs). The interconnected nature of these factors means that they should be considered jointly. This paper employs molecular dynamics (MD) simulation in a series of studies aimed at elucidating the influence of wettability in boundary behaviour and the accumulation of interfacial gas. Specifically, we examined the relationship between effective slip length, the morphology of nanobubbles, and wettability. Two methods were employed for the promotion of hydrophobicity between two structured substrates with similar intrinsic contact angles. We also compared anisotropic and isotropic atomic arrangements in the form of graphite and Si(100), respectively. A physical method was employed to deal with variations in surface roughness, whereas a chemical method was used to adjust the wall–fluid interaction energy (?_wf). We first compared the characteristic properties of wettability, including contact angle and fluid density within the cavity. We then investigated the means by which variations in solid–fluid interfacial wettability affect interfacial gas molecules. Our results reveal that the morphology of INB on a patterned substrate is determined by wettability as well as the methods employed for the promotion of hydrophobicity. The present study also illustrates the means by which the multiple effects of the atomic arrangement of solids, surface roughness, wettability and INB influence effective slip length.     

Peptide friction in water nanofilm on mica surface

Peptide frictions in water nanofilms of various thicknesses on a mica surface are studied via molecular dynamics simulations. We find that the forced lateral motion of the peptide exhibits stick-slip behaviour at low water coverage; in contrast, the smooth gliding motion is observed at higher water coverage. The adsorbed peptide can form direct peptide-surface hydrogen bonds as well as indirect peptide-water-surface hydrogen bonds with the substrate. We propose that the stick-slip phenomenon is attributed to the overall effects of direct and indirect hydrogen bonds formed between the surface and the peptide.     

棱形石墨烯纳米孔道内离子传输性能的分子动力学模拟

纳米通道的尺寸、结构和表面化学对其内部溶液的分布结构和输运性质有着重大影响.本文研究了一种全新的菱形石墨烯纳米通道.这种理想的通道与最近被广泛研究的金属有机框架材料(MOF)的内部结构类似,有着与传统的碳纳米管截然不同的内部结构.本文使用分子动力学模拟的方法研究在不同尺寸的菱形石墨烯纳米通道内的KCl溶液的性质,并将其与同尺寸的单壁碳纳米管进行了比较.研究结果表明在小孔道内(<20?)其内部的溶液结构呈现若干个密度极高的聚集区域,即出现了结晶化的趋势．这一研究结果,将为MOF的结构设计提供思路,从而有望实现类似于生物离子通道的高选择性和高传输能力.     

The structure and dynamics of water inside armchair carbon nanotube

In this paper we present some simulation results about the behaviour of water molecules inside a single wall carbon nanotube (SWNT). We find that the confinement of water in an SWNT can induce a wave-like pattern distribution along the channel axis, similar phenomena are also observed in biological water channels. Carbon nanotubes(CNTs) can serve as simple nonpolar water channels. Molecular transport through narrow CNTs is highly collective because of tight hydrogen bonds in the protective environment of the pore. The hydrogen bond net is important for proton and other signal transports. The average dipoles of water molecules inside CNTs (7,7), (8,8) and (9,9) are discussed in detail. Simulation results indicate that the states of dipole are affected by the diameter of SWNT. The number of hydrogen bonds, the water--water interaction and water--CNT interaction are also studied in this paper.     

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法, 模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程, 研究了基底表面与水形成的界面氢键, 及其对受限水结构和动态特性行为的影响. 当基底表面硅醇固定时, 靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键, 这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面, 从而水分子的偶极矩远离表面. 当基底表面硅醇可动时, 靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键, 一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键, 数量较少, 另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键, 数量较多, 这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面, 从而水分子的偶极矩指向表面. 在相同几何间距下, 当基底表面硅醇可动时, 表面的活动性使得几何限制作用减弱, 导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显. 此外, 固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强, 数量较多, 导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.     

页岩气在粗糙纳米孔中吸附和输运的分子模拟

从微观上理解固气表面的吸附和注气驱替原理,有助于完善页岩气开采理论.本文通过运用蒙特卡洛和分子动力学方法,模拟了甲烷在粗糙壁面结构孔隙中的吸附和流动行为.研究结果显示粗糙结构对甲烷的吸附量有显著影响,压力小于20 MPa时,粗糙模型中的吸附量更大.注气驱替时,粗糙模型中二氧化碳的突破时间和甲烷的采收率,相比光滑壁面模型明显增加.这是由于粗糙结构模型的页岩壁面表面积更大,在低压下气体吸附能力更强.矩形粗糙结构页岩模型的选择吸附性强于三角粗糙结构模型和光滑模型.研究阐明了甲烷吸附和驱替的微观机理,为提高页岩气采收率提供了指导.     

Translocation of DNA molecules through nanopores with salt gradients: the role of osmotic flow

Recent experiments of translocation of double-stranded DNA through nanopores [M. Wanunu et al., Nature Nanotech. 5, 160 (2009)] reveal that the DNA capture rate can be significantly influenced by a salt gradient across the pore. We show that osmotic flow combined with electrophoretic effects can quantitatively explain the experimental data on the salt-gradient dependence of the capture rate.