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水在碳基纳米尺度通道内的粘性、扩散和剪切流动行为的模拟研究

叶宏飞  
【摘要】:近年来,材料在纳米尺度下的性质和行为已经引起了越来越多的关注。作为自然界中最为常见的流体之一,水在纳米尺度下的性质和行为与宏观尺度下相比展现出了很多非常规的特点。例如,有序的分子构型、较高的传输速率以及特殊的扩散形式等等。这些特点促使纳米尺度下的水在分子输运、纳米器械冷却等方面都有着良好的应用前景。因此,深入研究水在纳米尺度通道内所呈现出的变化规律具有重要的科学意义。本文工作基于分子动力学方法展开,研究了水在碳基材料构成的纳米尺度通道内的传输性质和流动行为,包括水在碳纳米管内的粘性性质、水在碳纳米管内的扩散行为以及水在石墨层片驱动下的剪切流动行为,具体内容如下: 首先,本文开展了水在碳纳米管内的粘性性质研究。现有分子动力学中的计算方法难以准确计算限制于特征尺寸极小的纳米尺度通道内的流体粘性,为了研究水在碳纳米管内的粘性性质的尺度效应和温度效应,本文将经典的Eyring粘性理论和分子动力学方法相结合,提出了一种半经验性的"Eyring-MD"粘性计算方法。数值算例证实了该方法的正确性和高效性。利用"Eyring-MD"方法,研究了室温下水在直径为8-54A的碳纳米管内的粘性性质。计算结果表明处于限制状态下的水的粘性要低于常规尺度下水的粘性,其会随着碳纳米管直径的增加而升高并逐渐趋于常规尺度下水的粘性。随后,通过考虑新的数值实验算例,对"Eyring-MD"方法中的公式系数进行了补充和修正。利用改进的"Eyring-MD"方法研究了水的粘性性质的温度依赖性。计算结果表明水在碳纳米管内的粘性在不同温度下随碳纳米管直径的变化趋势基本相同。在直径相同的碳纳米管中,水的相对粘性随着温度的升高而增加。此外,氢键数目的计算结果显示除了在(8,8)和(9,9)碳纳米管内,处于限制状态下的水的氢键数目的变化趋势与其粘性的变化趋势基本吻合。水在(8,8)和(9,9)碳纳米管内的氢键数目呈现了一定的增加。最后,根据获得的计算结果,本文给出了一个同时考虑了尺度效应和温度效应的水粘性性质的计算公式。 其次,本文开展了水在碳纳米管内的扩散行为研究。构建了一套真实客观、高效准确的碳纳米管内水分子扩散行为研究的分子动力学计算模型。计算结果显示在室温时水在小直径碳纳米管(d12.2A)内的扩散机理呈现出了两阶段的形式。在初始阶段中水分子遵循着一系列非常规的扩散机理,随后水分子在(6,6)碳纳米管内转变为单列扩散机理,而在其它碳纳米管内则转变为流体常规的扩散机理即Fickian扩散机理。随着温度的升高,两阶段之间的转折逐渐变得模糊。在大直径碳纳米管中,水的扩散机理与常规尺度下的流体扩散机理基本一致。对于扩散系数而言,除了在(8,8)和(9,9)碳纳米管中,水的扩散系数随着碳纳米管直径的增加而增加直至直径达到约40A,随后逐渐趋近于自由状态下水的扩散系数。在(8,8)和(9,9)碳纳米管中,水分子的扩散系数有明显的降低。当温度变化时,处于限制状态下的水的扩散系数的变化趋势几乎不变,但是其数值随着温度的升高而升高。此外,研究表明碳纳米管的尺寸限制和表面属性之间的协同作用导致了小直径碳纳米管内的非常规扩散机理,而它们之间的竞争作用导致了扩散系数的非单调性的变化趋势。基于这两种特性的定性考量,本文给出了一个同时体现了尺度效应和温度效应的水的扩散系数计算公式。 最后,本文基于分子动力学方法开展了水在石墨层片驱动下的剪切流动行为研究。为了考察电在纳米尺度下对极性水分子流动的影响,本文在纯石墨层片的模拟基础上进一步考虑了一种在碳原子上粘附电荷的带电石墨层片。计算结果显示纯石墨层片的相对运动可以使水的内部形成线性的速度分布,但是水与管壁之间存在着巨大的速度损耗,且水在靠近边界的部分出现了内部分子层之间的相对滑移现象。粘附电荷后的石墨层片可以更为有效地驱动水分子的运动并明显地削减了水与通道管壁之间的速度损耗。随着粘附电荷的增加,管壁与水分子之间的作用有所增强,水分子的速度梯度也随之逐渐增加。对于电量相同而电性相反的石墨层片,水分子整体的剪切流动行为几乎一致,但是其内部的牵拉机理有所不同。此外,本文还计算了水分子在两种石墨层片表面的滑移长度。计算结果显示滑移长度在低剪切速率时变化缓慢,但是当剪切速率达到阈值后会急剧增加。这样的变化趋势可以归因于石墨层片有限的牵拉能力。对于纯石墨层片,滑移长度的变化范围约在500-2500A之间;对于碳原子粘附电荷为0.10e的石墨层片,滑移长度的变化范围约在50-350A。可以看出,电荷的加入可以有效地降低边界的滑移效应。根据计算结果,本文给出了两种情况下滑移长度和剪切速率的关系公式。


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