圆柱形纳米颗粒在自由分子区内的热泳及反向热泳特性研究

Thermophoresis of nanosized cylinders immersing in a gas with nonuniform temperature is of great importance and interest to a variety of areas. However, the classical thermophoresis theory fails to predict the thermophoresis of nanosized cylinders because the essential influence of the gas-particle intermolecular interactions on the gas-particle collision process is neglected. In addition, the negative thermophoresis of nanosized particles, by which the particles move from low to high temperature, may cause adverse effects because particles are usually expected to move from high to low temperature (positive thermophoresis), however the mechanism of negative thermophoresis is still unclear. Thus, considering the crucial role played by thermophoresis of nanosized cylinders, we propose to investigate the positive and negative thermophoresis of nanosized cylinders in the free molecule regime in the present project. Theoretical analyses and molecular dynamics simulations will be performed to study the influence of the gas-particle intermolecular interactions on the thermophoresis of nanosized cylinders. Specifically, analytical expressions of the thermophoretic force on nanosized cylinders will be derived based on the gas kinetic theory by taking into account the gas-particle intermolecular interactions in the free molecule regime. The mechanism of the positive and negative thermophoresis can be investigated based on the analytical expressions. The theoretical criterion for negative thermophoresis is expected to be derived. Molecular dynamics simulations will be employed to verify the negative thermophoresis and the predictions of the theoretical analysis. A deep in-depth understanding of the thermophoretic properties of nanosized cylinders paves the way for the future emerging applications.

圆柱形纳米颗粒在气体中的热泳现象在诸多领域都有着重要的应用。但是，现有关于圆柱形颗粒的热泳理论却并不能适用于尺度较小的圆柱形纳米颗粒。一方面，气体分子与纳米颗粒之间的范德华力对纳米颗粒的热泳过程有明显的影响，而经典的热泳理论却忽略了这一因素；另一方面，纳米颗粒反向热泳的出现会明显地改变其热泳过程，但其机理尚不明确。因此，本项目以圆柱形纳米颗粒在自由分子区内的热泳过程为研究对象，研究方案以理论分析为主，以模拟计算验证为辅。具体而言，考虑气体分子与颗粒之间的范德华力，并基于气体动理论得到圆柱形纳米颗粒在自由分子区内所受热泳力的计算式，进而以此为基础来分析圆柱形纳米颗粒热泳及反向热泳的规律和机制；开展分子动力学模拟研究，以验证所得理论公式及其计算结果。本项目的研究目标是得到圆柱形纳米颗粒在自由分子区内的热泳力计算式，并揭示其热泳和反向热泳机制，为圆柱形纳米颗粒热泳现象的实际应用提供理论依据。

当微细颗粒物悬浮于温度不均匀的气体中时，颗粒会受到一个由高温区指向低温区的热泳力，其在热泳力作用下的运动称之为热泳。圆柱形纳米颗粒在气体中的热泳现象在诸多领域都有着重要的应用。但是，经典热泳理论却并不能适用于尺度较小的圆柱形纳米颗粒。一方面，气体分子与纳米颗粒之间的范德华力对纳米颗粒的热泳过程有明显的影响，甚至导致纳米颗粒的“反向热泳”现象，但其机理尚不明确；另一方面，经典的热泳理论多针对球形颗粒，但实际的颗粒物往往形状各异，关于非球形颗粒热泳现象的研究十分有限。本项目以此为出发点，基于气体动理论求解了圆柱形纳米颗粒在自由分子区内所受热泳力的计算式；基于分子动力学模拟方法，计算并分析了自由分子区内纳米颗粒的热泳特性以及纳米颗粒反向热泳的机理。本项目得到了圆柱形纳米颗粒在自由分子区内所受热泳力的计算式以及自由分子区内非球形颗粒所受热泳力的计算式，计算结果表明圆柱形纳米颗粒的热泳力由平行于温度梯度和垂直于温度梯度方向的两个热泳力分量组成，圆柱形纳米颗粒与气体分子之间的范德华力会对其热泳特性产生不可忽略的影响，气体的温度越低，颗粒的半径越小，这一影响越显著；非球体颗粒的热泳速度与温度梯度之间存在一定的夹角，颗粒的形状越偏离球形，该夹角越大；对于纳米颗粒而言，当气固相互作用势较弱或气体温度较高时，经典热泳力计算式与分子动力学模拟结果吻合较好；当气固相互作用势较强或气体温度较低时，气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应较明显，经典热泳力计算式与模拟结果存在较大误差；当纳米颗粒的尺寸较小时，在适当的温度下会出现“反向热泳”的现象，其主要机理是气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞截面积随温度升高而减小，导致出现低温区气体分子与颗粒之间的动量传递量高于高温区的情况。本项目关于柱状纳米颗粒在自由分子区内热泳及反向热泳特性的研究成果，可以为圆柱形纳米颗粒热泳现象的实际应用提供理论支撑。