非均匀受限体系下水的输运性能研究

石墨烯纳米通道由于超长的滑移长度以及独特的流体输运性能,受到了物理、生物、力学、材料等领域的广泛关注.目前关于碳基材料的受限液体输运研究主要基于均匀的纳米通道,而实际制备的纳米通道结构并不均匀.因此,本文利用分子动力学方法,研究了非均匀石墨烯通道对受限水输运行为的影响.结果表明,通道内的受限水在不同区域形成了不同的层状结构,随着水密度增加,受限水结构会由液态逐渐转变成规则的四方类固态,水的平均速度随其密度增加呈现先降低后上升再下降的趋势.这是由于在低密度下(0.8–0.9 g/cm~3)随着密度的增加,界面摩擦增大,水的速度降低.当密度达到结构转变密度时,摩擦系数会急剧降低,当两层受限水呈现四方类固态时(1.0 g/cm~3),其流速达到最大.继续增大密度(1.0–1.4 g/cm~3),界面摩擦增大,水的速度再次降低.不仅如此,水处于低密度(0.8 g/cm~3)或密度较大(1.4 g/cm~3)时,受限在较大层间距下的水流速较快,在较小层间下水流速较慢.处于中间密度时,不同层间距间水分子速度分布呈现一致.该结果对理解受限体系下水的相态以及输运特性提供了理论支撑,并对生物通道中的物质输运以及海水淡化等方面有一定的指导意义.     

纳米水通道的设计和模拟

纳米受限空间的水表现出与宏观体相水不一样的构型和动力学性质,近年来引起人们的广泛关注. 其中水在纳米通道中的输运性质,对生命科学、物理化学、纳米流体器件领域的发展都显得特别重要. 本文介绍了几种纳米水通道的设计和模拟,揭示了外界环境、点电荷、形变以及外部吸引力对纳米尺度下水的动力学性质的显著影响,这些成果对设计高通量和可控的纳米流体器件具有重要的指导意义.     

微纳米间隙受限液体边界滑移与表面润湿性试验

为了研究微纳米间隙下固液界面间流体的流动及输运特性,采用修饰的原子力显微镜针尖,针对微纳米间隙下受限液体的边界滑移现象选用不同润湿特性的固-液界面进行了试验.固体壁面样品采用Si(100)面和OTS自组装膜,试验液体采用去离子水和十六烷.结果表明,当微间隙临界尺度小于6.67×10-3时,边界滑移效应对流体动压力有重要作用;润湿性极好的表面也会产生边界滑移,对试验液体具有10 nm左右的滑移长度;润湿性差的光滑表面的边界滑移长度值明显大于润湿性好的表面.所得结果对于微流体输运与控制有重要的理论意义与实际价值.     

压力驱动纳米流控行为的计算模拟研究

由于纳米流控实验技术的限制,计算模拟已成为纳米流控行为的主要研究手段,其中基于经验势函数的分子动力学模拟是目前计算模拟研究所采用的首选方法.通过分子动力学模拟可以显性地获得液体分子在纳米通道中的具体运动细节(系统中所有原子的位移、速度和加速度),从而能够准确了解液体在纳米通道中的行为与系统控制参量的相互关系,包括外加载荷、纳米通道尺度、以及液体物理性质对纳米流控行为的影响.目前压力驱动纳米流控行为相关研究主要包括压力驱动下液体对疏液性纳米通道的浸润行为(流体从通道外进入通道)、液体在纳米通道中的传输行为(包括稳态和非稳态传输)、以及最终充满整个通道的过程,还涉及在纳米流控过程中液体的微观结构与势能变化.这些研究结果对于发展基于纳米流控行为的潜在应用具有重要指导意义,例如:设计具有更高能量吸收密度以及可以重复使用的新一代能量吸收耗散材料等.     

压-电场耦合下纳米尺度水输运的MD模拟

运用分子动力学方法构建了纳米尺度的输运模型,针对纳米通道内水分子的流动与传热特性,分析了通道内压-电场耦合下水的速度分布、密度分布、自扩散系数和黏度等流动特性,同时也讨论了温度对通道内热导率的影响.模拟结果表明,速度轮廓从单纯电场驱动的电渗流型开始转变,由于压力的影响,速度分布呈抛物线型,速度随温度的升高而增大；温度的...     

拓扑绝缘体与低维超导体的电输运特性

拓扑绝缘体这种具有新奇量子特性的物质和具有百余年研究历史的超导体都是当前凝聚态物理学领域的研究热点．本文简要介绍了拓扑绝缘体、超导体的研究背景和基本特性,重点回顾了拓扑绝缘体、超导薄膜及纳米桥、超导纳米线以及纳米尺度下拓扑绝缘体．超导异质结构的电输运特性．并对该领域的进一步发展做出了展望．     

纳米尺度下表界面水行为的多尺度分子动力学模拟

表面界面处水的结构和性质是物理、生物、材料、化学、地质和纳米科学等领域里重要的研究课题.在当今对表界面水的科学研究当中,基于经典力场和第一性原理计算的分子动力学(MD)模拟起到了至关重要的作用.笔者与合作者多年来从事表界面水的多尺度MD模拟研究,取得了一系列进展.本评述文章介绍了我们近5年来在该领域所做的一系列贡献.主要包括以下几个方面:(1)纳米水滴的接触角与衬底晶格结构的关系;(2)界面诱导的二维冰结构;(3)纳米孔道里的一维冰与铁电性;(4)纳米孔的水输运;(5)水合离子动力学与离子选择通道的微观机制.     

“生物分子在纳通道中的输运及调控”年度报告

为了实现基于纳米孔的低成本超快速DNA测序,需要研究受限空间内聚合物分子的构象机制、摩擦特性,同时要发展流体动力学模型以描述受限空间内生物分子的输运规律。在该年度,我们进一步发展了粗粒化分子动力学模拟模型,开展跨尺度流体动力学建模和计算,并且利用单分子力谱直接探测DNA的单分子界面摩擦力。主要研究结果如下:对DNA分子在石墨烯纳孔和氧化石墨烯纳孔中的穿孔过程进行了研究,发现氧化石墨烯纳孔有可能实现单链DNA分子的逐个碱基过孔;实验研究了多价离子溶液中的纳孔振荡电流信号、离子在纳尺度受限空间中的扩散系数以及低浓度下表面电荷平衡过程对扩散的影响,获得了多个重要结果;进行了纳米颗粒的过孔实验,获得颗粒过孔信号,同时发展了能更准确地预测纳孔介入电阻的理论模型;测量了不同Na Cl浓度下DNA的摩擦行为,发现随着浓度增加,DNA摩擦力减少,而DNA在低浓度下显示出较为舒展的构象;发现长链DNA分子具有更舒展的构象,同时链长对DNA摩擦力的影响不大;单分子力谱研究表明,双链DNA在重水和普通水缓冲溶液中的力学稳定性无显著性差异,而双链DNA在甲醇中会自动解螺旋,形成单链DNA。这些研究将加深我们对于DNA等生物分子在受限空间内受力的科学认识,为DNA分子过孔测序技术的发展提供理论依据和设计指导。     

聚偏二氟乙烯分子器件第一性原理设计

聚偏二氟乙烯(PVDF)分子因其组成元素的轻量性、结构直线性及铁电性等优良性质被广泛研究和应用在化工和电气领域。文章设计了一类以PVDF分子链为散射区,石墨烯纳米带为电极材料构建的分子器件。采用密度泛函理论结合非平衡格林函数理论方法计算了该类型分子器件的量子输运性质。文章设计改变PVDF分子链垂直于输运方向的旋转角度,结构和极化性质也随之变化,进而引起了器件输运性质的变化。输运性质的开关比最大可以达到三个数量级,这些结构可以作为电子元器件应用在电子器件领域。PVDF器件输运性质变化与极化性质变化的相关性为实现不同维度的信号测量提供了一种新的设计思路。     

纳米流道内液体特性的分子动力学研究

以非平衡分子动力学方法研究了纳米流道内液体的流动特性,重点探讨上壁面以不同剪切速度运动,下壁面保持静止且在其附近的温度保持相对稳定时,两壁面间液体分子的运动特性及作用机理.模拟获得了不同剪切速度下流体的速度分布、密度分布及温度分布,并分析了速度滑移率、密度分布和最高温度与剪切速度之间的关系.研究结果表明,随着剪切速度的增加,两固体壁面间液体靠近运动平板处的温度呈线性增加,在距离运动壁面0.8倍分子直径范围之内存在着明显的滑移现象,而在这个区域之外,液体分子的速度基本呈线性变化,纳米流道内液体分子密度的非均匀分布和有序化排列结构不受剪切速度的影响,平均剪切应力随着剪切速度的增加而不断增加.     

T型微小通道内两相流分流与分离调控研究进展

T型通道内的两相流流动和传递过程广泛存在于石油化工、生物制药、电子冷却等各个领域,而伴随社会进一步微型化、精细化的需求,微小尺度下T型通道内的流动过程及界面受力分析研究的重要性逐渐凸显。尺度的减小使得流动过程中主导作用力由重力等体积力转变为毛细力等表面力,界面运动及相作用机理也随之发生变化;同时,在微尺度下,等径与非等径T型微通道使得两相流流动呈现相分流和相分离两种具有本质区别的流动规律。目前,等径微通道中相分流的研究多以实验为主,探索各种因素对两相分流特性的影响,诸如入口流型、表观速度、表面张力等;而真正针对非等径微通道内实现相分离的研究较少,且仅限于关注实现两相完全分离的条件及分离性能。鉴于微尺度尤其是非等径跨尺度T型微通道内相分离界面运动复杂、界面受力难于测量等原因,直至如今,相分离过程中的界面受力分析、分离机理以及相分布的主动调控仍是阻挡多孔结构在多相工质中高效利用的关键科学问题;急需实验与数值相耦合的机理研究,最终实现简单多孔结构在实际多相流场合中的广泛应用。     

数值求解纳米尺度热传导分数阶抛物两步模型

提出一个纳米尺度的分数阶抛物两步模型,得到金属纳米尺度热传导的精确数值格式.该模型是通过引入Caputo-Hadamard时间分数阶导数到抛物型两步能量输运方程中,并将其温度跃变边界条件耦合得到.数值格式基于空间四阶紧格式和Caputo-Hadamard时间分数阶导数的L1逼近格式而建立.通过2个算例验证模型和数值方法的准确性和适用性.     

室温离子液体在受限区域内的研究进展

室温离子液体具有熔点低、蒸汽压低、电化学窗口宽、不易燃等优点,因此作为绿色溶剂在催化合成、电化学分析等领域有着广泛的应用,但是由于离子液体的尺寸相对较大,和体溶液相比,在受限区域内,离子液体的物化性质可能会发生改变,而且在与带电固体的界面处,其离子分布情况会比较复杂.对于离子液体来说,它在表界面的微观结构及行为会直接影响其物化性质,进而影响其在微纳尺度的应用等.该文针对离子液体在受限区域内的物化性质以及表界面结构的研究进展做一简单综述和探讨.     

不同热边界条件下微通道内气体的流动与传热特性

构建了微尺度条件下含黏性热耗散和压力功的总能形式的双分布函数格子Boltzmann(LB)模型,计算并分析了恒壁温与恒热流边界条件下,稀薄效应对速度驱动的平直微通道内气体流动与传热特性的影响.结果表明:在不同的热边界条件下,稀薄效应对微通道内气体流动特性的影响一致,即均使得气体流速增大,通道摩擦系数减小;由于气体温度场分布的差异,使得稀薄效应对气体传热特性的影响截然不同,在恒壁温边界条件下气体传热特性有所提高,而在恒热流边界条件下气体传热特性有所减弱.     

纳米流体在圆管中输运的两相流理论模型及黏度计算

基于Fokker-Planck方程与流体动量方程,建立了压力驱动纳米流体在园管中输运的两相流藕合理论模型,模型考虑了纳米粒子的相互碰撞效应、布朗运动效应以及纳米粒子与液体的相互耦合作用,本文所建立的模型没有引入任何唯象参数,与以往的唯象模型相比较,理论上更完备,采用该模型对纳米流体的黏度随温度、纳米粒子体积分数以及粒子尺度的变化规律进行了预测,结果表明,在高粒子体积分数下,纳米流体剖面速度分布呈＂柱塞＂状,这与单相流体剖面速度呈抛物线分布有明显的差异,该模型预测的黏度在较大范围内均与实验结果很好的吻合.     

亚微米/纳米通道电渗流及控制

通过联立分析双电层泊松-玻兹曼方程、液体流动纳维-斯托克斯方程,以及外加基电压-通道-液体耦合系统电场方程,获得了外加基电压调控下的亚微米/纳米通道电渗流的解析解.分析了固-液界面Zeta电位随外加基电压的响应,得到电渗流速度与外加基电压的关系特性.进一步研究了控制外加基电压以控制电渗流的方法,实时调控电渗流以满足增大输送的溶液流量、反向流动、多溶液混合等输送要求.     

受限Lennard-Jones流体自扩散系数的分子动力学模拟

基于平衡态分子动力学(EMD)方法,建立了受限空间中的Lennard-Jones(LJ)流体自扩散模型.采用径向分布函数对LJ流体微观结构进行了表征,模拟了LJ流体在纳米尺度受限空间中的自扩散系数,并将其与相应的自由空间内LJ流体自扩散系数进行了比较,同时从分子水平分析了温度、密度和受限尺度对自扩散系数的影响.研究结果...     

受限高浓度电解质溶液的电动力学输运

为了解释有关纳米通道内离子输运特性的一系列违反经典流体力学和电迁移理论的实验现象的内在机理,通过分子动力学模拟的方法,研究了受限高浓度Na Cl溶液的离子电流和迁移率等电动力学输运特性.结果显示,跨膜电压和接入电阻是导致单层石墨烯纳米孔的离子电流随孔径呈线性增长的重要原因.受限电解质溶液与体态溶液的本质区别是除了固液界面的边界效应外,跨膜电压造成的局部超大电场将导致电迁移速率随电场强度增加出现非线性增长的Wien效应.同时,离子迁移率随溶液浓度升高而下降.产生这些变化的微观机理除了离子氛屏蔽效应外,还有离子对形成和离子碰撞等离子间微观相互作用.     

耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法

流体在固体表面的速度滑移对宏观流动的影响通常可以忽略,但在研究微尺度流动时,滑移速度可能对流动产生较大的影响.因此在研究微尺度流动时,需要考虑流动在边界上的滑移.耗散粒子动力学方法是模拟介观尺度下流体的动力学行为的计算方法,目前该方法一般使用无滑移的边界条件.提出一种在耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法,得到了和Navier滑移边界条件的Poiseuille流精确解吻合的速度剖面.     

复合材料与界面纳米结构热传导问题分子动力学与连续介质跨尺度耦合模型与算法

构一体化的热、力耦合多尺度模型与算法研究是力学、数学、物理学与材料科学多学科交叉的前沿领域,也是重大装备研发中需要着重解决的基础科学问题。材料与结构在裂纹、空洞、夹杂、纤维取向、基体分布形态等方面具有内在的不确定性,其损伤和破坏还表现为复杂的热力耦合非线性多尺度力学行为。尺度间隙和跨尺度连接,涉及微—细—宏观不同尺度间数学物理模型的联系与差别等基本问题,建立微/纳米尺度的热、力模型,揭示热、力耦合的物理机制,发展材料与结构一体化的宏—细—微观耦合的多尺度模型与算法,具有重要的理论与实际意义。结果表明:复合材料界面结构对于材料的力、热、电、磁等物理、力学性能有十分重要的影响。我们针对复合材料与界面纳米结构热传导问题,发展了一类分子动力学与连续模型跨尺度耦合模式、MD/FEM耦合算法,并编写了相关计算程序。主要进展有:(1)实现了纳米结构导热系数等热学参数的分子动力学计算和量子校正;(2)发展了复合材料和多孔材料周期及随机结构热传导问题连续模型的多尺度算法;(3)提出了一类分子动力学与连续模型的跨尺度关联模式和MD/FEM耦合算法;(4)实现了三维复合材料和界面纳米结构的MD/FEM计算。