无阀纳米泵中流的翻转与共振现象的研究

The valveless nanopump, as a key device in the nano fluidic systems (lab on chip), has great potential applications in a variety of fields such as biology, chemistry, drug delivery and material science due to its capabitlity of pumping fluids controllably and precisely on the nanoscale. Carbon nanotubes are ideal tubes in design of the valveless nanopump, since they allow almost frictionless passage of fluids. However, the dynamics of water confined inside the carbon nanotubes usually display unconventional properties and behaviors different from those of bulk systems. For instance, the underlying mechanisms behind the current inversions and resonances in the nanopump are far from understanding. In this project, we will tackle this 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 abnormal transport properties on the hydrogen bonds network and various external factors. Furthermore, we will invesitigate the the energy conversion efficiency of the nanopump. And by mimicking biological channels, we hope to design a valveless nanopump which is readily implemented experimently.

能够在纳米尺度下对流体进行精确操控并驱动流体的无阀纳米泵是流控系统（芯片实验室）的核心元件，在生物、化学、医学和材料等领域中有广泛的应用前景。碳纳米管因其具有很好的水的通透性有望被应用于制造无阀纳米泵。为实现这一目标要解决的关键问题是理解在外界不同驱动方式下碳纳米管中水分子的特殊的输运规律，特别要理解在外界周期性扰动下纳米泵中出现流的翻转、共振等现象背后的物理机制。本项目主要将采用分子动力学模拟和统计动力学理论对这一关键问题展开研究，包括受限在碳纳米管中水分子间的氢键网络受外部不同驱动方式的影响，氢键网络在水分子反常输运过程中所起的作用,以及各种外界因素的耦合作用规律，探索定向流、流的翻转、和共振等复杂流动过程的形成条件和背后深刻的物理机制。在此基础上，进一步研究能量转换效率，并借鉴生物通道的结构，希望从理论上设计出实验中可行的高效的无阀纳米泵。

随着纳米技术迅猛发展，器件不断微型化，纳米泵是微泵的进一步微型化，但是要实现在纳米尺度下对流体进行可控地驱动仍然十分困难。这一困难不仅来自制作纳米泵的工艺技术上，而且很大一部分来自对受限在纳米尺度下流体表现出与宏观尺度非常不一样的行为背后的物理机制的不了解。本项目的研究内容主要是揭示在纳米泵中水流的奇特的动力学行为，特别是流的翻转与共振现象背后的物理机制。我们根据热力学非平衡理论设计出基于碳纳米管的简单纳米水泵模型，重点研究在这些纳米水泵中的水形成定向流及该定向流受各种因素影响的物理机制，包括水在碳纳米管中与外部激励因素（机械振动等作用）达到共振现象的研究和纳米水泵中的定向流出现反转的原因探索。我们得到的主要研究结果为：（1）我们发现在纳米水泵系统中的定向流随着外部机械扰动频率的改变都会出现定向流的峰值，而且会出现流的反转。我们得出要使碳纳米管中形成很大的定向流必须同时满足两个条件：第一，机械扰动的频率必须落在管内水分子的共振频率范围内；第二，外部机械振动在碳纳米管激发出的表面波往纳米管左右两侧传播过程中其波幅存在明显的差异。其次，我们发现定向流的方向由纳米管壁传播的表面波的波幅决定。该研究成果发表在Physical Review E ,92, 053017 (2015)。（2）我们进一步揭示了在纳米水泵中外部扰动的能量是如何有效地转化为管内水分子的动能的。该研究成果发表在Physical Review E, 98:032410 (2018)。（3）我们研究了表面电荷和温度对纳米孔道中的水的动力学行为的影响，发现在碳纳米管管壁的第一层水表现出奇特的连续相变行为。该研究结果发表在Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 20391—20397，（2018）。我们的研究工作有助于人们进一步理解水在纳米通道中的输运规律，而且，对设计出有效的纳米流体器件等有重要的理论参考价值。