纳米硅通道内滑移现象的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了水在硅通道中的流动现象。通过模拟Couette剪切流动,得到了通道中流体的速度分布,同时考察了壁面吸附气体以及壁面具有纳米结构情况下的流动。模拟表明气体层以及微结构的存在可以改变硅表面的滑移性质,进而可以通过在壁面构造纳米结构以及在通道中充入气体来改变和控制纳米通道中的流体输运。     

纳米通道内液体流动的滑移现象

采用分子动力学模拟方法研究了液态氩在铂纳米通道内的流动，通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象. 研究发现：液体分子在亲水性通道表面附近呈类固体性质，数密度和有序性较大，而在疏水性表面附近的平均数密度降低，形成一个低密度层；液体流动在固体表面的速度滑移随着液体与表面势能作用的增强而减小，当液体和表面的浸润性不同时可以发生滑移、表观无滑移和负滑移现象；液体在固体表面的表观滑移是液体在固体表面的速度滑移、粘附和流体内部滑移的综合作用的结果. 关键词： 纳米尺度流动 速度滑移 浸润性 分子动力学模拟     

无阀纳米泵中水流的反常堵塞

对于颗粒物质,在锥形通道的窄口处容易发生堵塞现象,实验中通常利用机械振动进行疏通.而对于无孔不入的水却不同,即使在纳米尺度的碳纳米管中仍然可以快速通透.本文利用分子动力学模拟研究了由锥形碳纳米管与石墨烯平面构成的无阀纳米泵,发现水输运在一定条件下也会出现反常堵塞.与颗粒物质截然不同的是振动方法无法恢复水流,相反,它促使水在纳米水泵的通道窄口处发生堵塞.通过分析堵塞区水的密度分布、氢键寿命、水分子的结构特征,揭示了反常堵塞是由腔体中振动膜的高频振动引发水的结构相变造成的.     

纳米通道内液体流动的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法模拟液体在定截面及变截面纳米通道内的三维Poiseuille流动,研究液体浸润性及通道截面变化对纳米通道内液体流动的影响.研究结果表明:液体对壁面不湿润时,壁面处有速度滑移存在,并且随接触角的增大而增大,液体对壁面湿润则不存在速度滑移;同时,摩擦阻力系数随接触角的减小而增大.通道截面形状的变化对流场的影响随着远离变截面位置而迅速减弱,对流体通道平直处的流体速度相对值分布影响不大,对摩擦阻力系数影响较大.     

纳米通道内界面温度阶跃与能量输运特性研究

纳米尺度固–液相传热过程中界面处存在温度阶跃现象。本文采用分子动力学方法分析宽度为3.44～14.69 nm通道内固–液界面温度阶跃变化规律与水能量输运特性。模拟结果表明,随纳米通道宽度的增加,固–液界面处的温度阶跃与界面热阻降低。此外,纳米通道内水液膜的能量输运具有尺度效应,随着纳米通道宽度增加,液相水分子间作用势能降低,水分子均方位移与扩散系数增加,水液膜的导热系数升高。     

高压下准一维纳米结构的研究

准一维原子、分子链是一维纳米材料研究的终极目标,其独特的一维结构可能具有强的量子效应,新奇的光、电、磁等物理性质.如何合成原子/分子一维结构、以及在原子/分子尺度对其进行调控和操纵是目前人们极为关注的前沿课题.通过使用限域模板,如碳纳米管和分子筛等,已经成功地合成了可稳定限域在一维纳米孔道中的原子/分子链状结构.本文简要介绍了高压下一维纳米结构研究所取得的实验结果,以及文献报道的相关实验与理论研究工作,包括压力导致的原子/分子一维链增长及其转变机理,一维纳米孔道中压致分子旋转,碘分子链特有的光致发光现象以及压致发光增强、碳纳米管的压致转变引起的偏振拉曼退偏效应消失等.     

碳纳米管中水孤立子扩散现象的模拟研究

受限于人造或天然纳米通道的分子运动已成为纳米科学的研究热点,对生物和化学也具有重要意义.本文采用分子动力学模拟的方法研究了水分子在单壁扶手椅型碳纳米管内的运动.针对基于水密度缺陷的孤立子输运机理,我们发展了新的方法用以准确鉴别孤立子,在此基础上细致研究了孤立子的运动行为,发现其满足标准一维扩散运动的特征.我们的模拟还表明,温度越高,孤立子扩散速度越大;孤立子数密度越大,其扩散速度越小.这与前人提出的孤立子之间存在弱排斥的设想是一致的.     

尺寸效应对微通道内固液界面温度边界的影响

采用非平衡分子动力学方法模拟不同浸润性微通道内液体的传热过程,分析了尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响.研究结果表明,界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段,即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段.随着微通道尺寸的增加,近壁区液体原子受对侧固体原子的约束程度降低,微通道中央的液体原子自由移动,固液原子振动态密度近似不变,使得尺寸效应的影响忽略不计.上述两种阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用:减弱壁面浸润性,过渡阈值向大尺寸区域迁移;相较于低温壁面,高温壁面处的过渡阈值更大.增加微通道尺寸,固液界面温度阶跃呈单调递减趋势,致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合.探讨尺寸效应有助于深刻理解固液界面能量输运及传递机制.     

2006-2007年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌物理奖获奖项目介绍

1胡刚复奖 项目名称：信息功能纳米材料的制备与物性测量技术 主要完成人：顾长志（中国科学院物理研究所） 高可靠性信息纳米功能材料的制备与物性测量技术是目前纳米科技领域的重要研究课题，特别是关于纳米材料的原位物性测量，以及纳米尺度低维人工结构、     

成功实现硼幻数团簇的合成和有序组装

<正>众所周知,碳元素具有多种形式的低维结构,包括富勒烯(零维)、碳纳米管/纳米条带(一维)、石墨烯(二维)。由于表面效应、尺寸效应和量子效应,这些低维碳结构表现出丰富的物理性质,比如金属型狄拉克费米子、超导性、超顺磁性等,     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

水在不均匀纳米通道内自扩散性质的分子动力学研究

本文用分子动力学(MD)方法模拟了受限水在不均匀润湿性微通道中的自扩散性质.通过考察不均匀润湿通道内水的自扩散行为,发现在微通道中水的扩散性质表现出明显的尺度效应,随着通道高度的增加水的扩散增强.更重要的是,由于通道高度的不同,通道内的不均匀润湿段对水的扩散与均匀通道相比有不同的影响.当通道高度为0.8 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散增强;当通道高度为1.0 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散减弱;而当通道高度达到1.2 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散基本相同.     

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.     

Water transportation across narrow channel of nanometer dimension

Since the discovery of the carbon nanotube and aquaporin, the study of the transportation of water across nanochannels has become one of the hot subjects. When the radius of a nanochannel is only about one nanometer or a little larger, water confined in those nanoscale channels usually exhibits dynamics different from those in bulk system, such as the wet–dry transition due to the confinement, concerted hydrogen-bond orientations and flipping, concerted motion of water molecules, and strong interactions with external charges. Those dynamics correlate with the unique behavior of the water transportation across the channels, such as the extra-high permeability, excellent on–off gating behavior with response to the external mechanical and electrical signals and noises, enhancement by structure outside the channel, directional transportation driven by charges close to a channel or electric field. In this article, we review some of the recent progress on the study of the water molecules inside those narrow nanochannels.     

双尺度疏油结构纳米通道滑移效应的研究

针对双尺度结构表面疏油特性的优异性,采用分子动力学的方法建立油液流体正十六烷烃分子模型,研究双尺度结构壁面润湿性影响下的纳米通道内流体的流动特性,通过对通道壁面亲疏油性下的双尺度结构的构建,与光滑壁面和单尺度壁面进行比较来探究双尺度纳米通道表面结构影响下油液流体在纳米通道内密度分布、速度分布、速度滑移和滑移长度的影响.模拟结果表明:对于亲油通道壁面,双尺度结构壁面亲油性明显加强,主流区域流体密度、流体速度和速度滑移都减小,甚至出现负滑移;而对于疏油通道壁面,双尺度分层结构能加强壁面的疏油性,通道内壁面形成稳定的气层使流体主流区域的密度增大,并且通道内流体的速度、速度滑移和滑移长度明显大于光滑和单尺度结构壁面.因此,纳米通道内双尺度结构能改变通道壁面的润湿性,并且能够加强流体在纳米疏油通道内的滑移减阻效应,为纳米通道内油液运输以及润滑薄膜减阻提供了设计基础.     

Shape effect of nanochannels on water mobility

Confinement can induce unusual behaviors of water. Inspired by the fabrication of carbon nanotubes with noncircular cross sections, we performed molecular dynamics simulations to investigate the mobilities of water confined in carbon nanochannels with circular, square, and equilateral triangular cross sections over a variety of dimensions. We find that water exhibits disparate mobilities across different types of channels below 0.796 nm². Notably, compared with the other two channels, water in equilateral triangular channels displays the greatest mobilities. Moreover, at 0.425 nm², different ordered structures are found in the three channels, and water inside the square channel exhibits an extremely low mobility. It is also found that above 0.796 nm², the mobilities along the tube axis of water converge to that of the bulk. These phenomena are understood by analyzing the structure, dynamics, and hydrogen bonding of water. Our work explores the mobilities of water across noncircular carbon nanochannels, which may expand the prospect of noncircular nanochannels in scientific studies and practical applications, such as desalination and drug delivery.     

Atomic force microscopy-based repeated machining theory for nanochannels on silicon oxide surfaces

The atomic force microscopy (AFM)-based repeated nanomachining of nanochannels on silicon oxide surfaces is investigated both theoretically and experimentally. The relationships of the initial nanochannel depth vs. final nanochannel depth at a normal force are systematically studied. Using the derived theory and simulation results, the final nanochannel depth can be predicted easily. Meanwhile, if a nanochannel with an expected depth needs to be machined, a right normal force can be selected simply and easily in order to decrease the wear of the AFM tip. The theoretical analysis and simulation results can be effectively used for AFM-based fabrication of nanochannels.     

Control water molecules across carbon-based nanochannels

It is important to know the mechanisms of water molecules across carbon-based nanochannels, which is not only beneficial for understanding biological activities but also for designing various smart devices. Here we review the recent progress of research for water transfer across carbon-based nanochannels. In this review, we summarize the recent methods which can affect water molecules across these nanochannels. The methods include exterior factors(i.e., dipolar molecules and gradient electric fields) and interior factors(namely, cone-shaped structures, nonstraight nanochannels, and channel defects). These factors can control water permeation across nanochannels efficiently.     

高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的小尺度效应,采用分子动力学方法模拟了传热效应以及流体流动行为,研究在壁面温度影响下,不同润湿性壁面上方气层生成状态以及流体流动时气层的稳定特性和相应的减阻性能.结果表明:当壁面为纯疏水壁面时,不能形成气层;疏水基底+亲水组合壁面形成不规则气层;纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面能形成规则气层.当流体流动时,疏水基底+亲水组合壁面气层消失,而纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面气层较为稳定.纯疏水壁面主流区域速度较大,而纯亲水壁面主流区域最低.对于壁面滑移速度,存在气层的壁面滑移速度与纯疏水表面相对接近,甚至稍优于纯属疏水表面,而疏水基底+亲水组合壁面滑移速度最小.