外界扰动诱导纳米通道内水分子奇异输运机理研究

Precise technology in controlling nanofluid on the nanoscale has great potential applications in a variety of fields such as biology, material, mechanics, etc. In order to achieve the technology, the main purpose is to understand the transport mechanism on the nanoscale under different driving ways. In particular, it should understand mechanisms behind flowing inversions and resonances with external disturbance in the nanochannel. In this project, we will tackle the problem by using molecular dynamics simulations and statistical dynamic theory. We will study the effects of different driving methods on the hydrogen bonds network, the dependence of the unusual transport properties on the hydrogen bonds network and coupling laws with various external factors. Those will be used to reveal essential transport mechanism and generating condition of unusual flowing both inversion and resonance, and to provide a theoretical basis for nanofluid controlling technology.

在纳米尺度下，能够对流体进行精确的操控，这对生物、材料、力学等领域，具有广泛的应用前景。为实现这一技术，要解决的关键问题是：理解在外界不同驱动条件下，纳米通道内水分子的特殊输运规律，特别是要理解在外界周期性扰动下，纳米通道内出现的流动翻转、共振等现象所隐含的物理机制。为研究这一关键问题，本项目主要将采用分子动力学模拟结合统计动力学理论，在考虑受限在纳米通道内水分子间的氢键网络受外部不同驱动方式影响的条件下，清晰氢键网络在水分子反常输运过程中所起作用的原因，给出各种外界因素的耦合作用规律，揭示流动翻转、共振等奇异流动过程所形成的条件及物理机制。研究结果将为实现微流动控制技术提供理论参考。

纳米孔道广泛存在于自然界，在生物、医学、纳米工程等领域有着潜在的应用。随着孔径的变小，流体在通道中展现出很多不同于宏观尺度的动力学行为，如纳米孔道内常温下水会结冰，纳米孔道内水流速度是宏观理论所预言的几百倍，等等。本项目基于分子动力学模拟方法和统计物理，对纳米通道内水分子的流动行为进行了系统地研究。揭示了在外界力学扰动和电荷扰动下，受限在纳米通道内水分子的流动规律，发现振动频率与水-水之间氢键固有频率相等或相近时，纳米孔道内净流量会达到最大，建立了数学模型，并对模拟结果进行了详细讨论。非对称外界电荷和力学扰动可以操控纳米通道内水分子流动方向和净流量，当扰动频率与水分子氢键相近时，会发生流向翻转，在力学扰动下，壁面波动起着重要作用。发现水滴在沟槽界面上自发运动方向与水滴放置位置有密切关系，揭示了相关机理。拓展了纳米孔道内单纯水分子的流动行为，开展了油/气水在纳米孔道内的赋存和流动行为，发现水环境中气体会自发积聚在界面上或自发排空纳米孔隙，并给出了静电场可使积聚在界面上气体和受限纳米孔道内的气体发生解析。发现纳米孔道内水流速度与含油/气量有关，借助统计物理建立了考虑纳米孔道界面特征、混合物组分等纳米孔道流体流动定量化关系。本项目研究结果对调控纳米孔道水流动具有重要指导意义。