水在纳米管道中流动行为分子动力学模拟.pdfVIP

Vol.33 高等 学校 化 学 学报 No.12 2012年12月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 CHEMICALJOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES摇 摇 摇 摇 摇 摇 2727 ~2733 水在纳米管道中流动行为的分子动力学模拟 1 1 1 1 2 2 1 饶摇 欢 ,杨文泓 ,王思邈 ,孔摇 滨 ,刘文志 ,李晓霞 ,杨小震 (1. 北京分子科学国家实验室,高分子物理与化学国家重点实验室, 中国科学院化学研究所,北京 100190; 2. 多相复杂系统国家重点实验室,中国科学院过程工程研究所,北京 100190) 摘要摇 采用分子动力学方法模拟了纳米管道内水分子的流动行为. 考察了压强差、管道直径和管道长度对 通量的影响,验证了流体在直径为2~2郾8 nm管道中的流动行为符合Hagen鄄Poiseuille(HP)方程. 研究发现, 末端效应具有长度依赖性,对于较短的管道其末端效应更为显著. 为了深入了解真实非均匀管道的流动行 为,使用直径不同的2种管道以不同的连接顺序组合成4种非均匀管道模型,最终得到了不同的流量. 提出 了二元管道模型,对非均匀管道内的流动行为进行了初步探讨. 关键词摇 分子动力学模拟;纳米管道;流动行为;Hagen鄄Poiseuille方程;末端效应 中图分类号摇 O641摇 摇 摇 摇 文献标识码摇 A摇 摇 摇 摇 doi:10.7503/ cjc [1,2] 纳米尺度流体的流动行为研究是近年的热点之一. 虽然纳米流体流动规律的研究刚刚开始 , [3~5] [6] 但是纳米流体技术已经有较广泛的应用. 例如用多孔膜进行分离和纯化 、分子检测 和生物膜离 [7] 子通道 等. Hagen鄄Poiseuille(HP)方程一般用于预测宏观尺度流体通过圆柱形管道的体积流动通 [8] [9,10] 量 . 然而,有些实验发现纳米尺度流体的流动行为偏离HP理论的预测 . 因此,宏观上影响流体 流动行为的因素在微观尺度下是否起到同样的影响仍需要深入研究. Zhu和Whitby等[11~13]研究发现, 压强差与通过纳米管道流体的通量呈线性关系,这与HP理论预测相符. 纳米管道直径和长度对通量 的影响较为复杂,而目前的研究主要集中在管径小于1郾66 nm 的纳米管道,这种尺度的纳米管中流体 流动行为不符合HP理论的预测[14~18]. 这是由于直径小于1郾66 nm 的纳米管道内的水分子会出现特殊 [19,20] [21] [22] 的结构(如n元环状结构 和单列水分子结构 ). Thomas等 发现当纳米管道直径在 1郾66 ~ 4郾99 nm之间时,通量随着直径的增加而增加,与HP理论预测一致. 但该研究并没有深入讨论通量与 管道长度的定量关系. 此外,纳米管道孔壁与流体之间的相互作用也对通量产生影响[15,23,24]. [24] 在实验使用的多孔膜中,管道沿轴向的管径并不均匀. Goldsmith 等 初步探讨了圆锥形管道内 的流体流动行为. 因此研究这种不均匀性对流体在管道内的流动行为的影响有着十分现实的意义. 本文主要利用