IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
纳米通道中流体输运的驱动和控制问题的分子动力学研究
李晓鹏
Thesis Advisor何国威
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Abstract纳米尺度的流体输运问题是纳米流体力学研究的核心问题。而如何驱动流动形成则是流体输运的基础。本文采用分子动力学模拟的方法研究了纳米尺度的流体输运问题,提出了用旋转电场和旋转磁场来驱动纳米尺度的极性流体的流动,这是一种新的驱动方式。离子液体近年来应用于许多领域。由于其具有许多完全不同于分子液体的特殊性质,特别是不挥发性和高离子电导率,而在许多方面有着特殊的表现。本文通过分子动力学模拟研究了离子液体在电场驱动下通过纳米通道输运时,外置电荷对于输运过程的控制作用;以及离子液体构成的液滴在固体表面的润湿、吸附和扩散性质。 本文的主要创新性工作为: 1.我们发展了一种新的纳米流动驱动方式:利用旋转电场和旋转磁场的耦合作用驱动水分子在CNT 中流动。通过分子动力学模拟,我们证实了这种方式的可行性。这种方法的机理为:施加一个旋转电场,使得CNT 中的水偶极子随着电场的旋转而旋转。水偶极子上的电荷的速度始终保持与电场的方向垂直。同时,施加一个与电场同步旋转的磁场。结果,水偶极子受到一个沿着CNT 管轴方向的洛仑兹力。洛仑兹力驱动水偶极子形成了连续的流动。驱动流动形成的力是电荷在磁场中运动时受到的洛仑兹力,而电荷的运动是由旋转电场引起的。我们发现在流动的平均pumping 速度 v 和磁场强度 B之间有一个线性关系,这就可以通过改变磁场强度来控制流动的流量大小。这个方法可以应用在没有压力梯度的流体系统中。此外,我们还发现了CNT 中的水偶极子在旋转电场的作用下保持同步旋转运动的临界周期值为3 ps,这个值约为体相中的1/2。 2.通过分子动力学模拟,我们研究了在电场驱动下的室温离子液体通过纳米通道时,外置电荷对于离子输运的影响。结果显示,外置电荷改变了离子电流的大小。这本质上是由于外置电荷影响了阴、阳离子在纳米孔中的分布,从而改变了阴、阳离子在纳米孔中的输运速度,最终导致离子电流发生了改变。我们发现外置的正电荷提高了离子电流,外置的负电荷降低了离子电流,基于此可以设计一种离子输运控制装置。这种装置可以应用在微流控和纳米孔分析技术上,通过改变外置电荷,对离子通过纳米孔的输运速度进行调节,甚至实现只让某种离子透过纳米通道(选择透过性)。 3.通过分子动力学模拟,定量化地比较研究了离子液体 [BMIM][Cl] 构成的液滴在金原子壁面、石墨烯壁面和金-石墨烯复合壁面上润湿时的性质。发现石墨烯的“润湿透明性”,对于离子液体 [BMIM][Cl] 液滴在金壁面上的润湿不成立。我们的模拟显示,液滴在固体壁面上润湿时,在固体表面和液滴之间形成一个厚度大约为5 Å 的吸附层。分别计算液滴在不同壁面上的接触角,以及液滴吸附层、上层和液滴整体的扩散系数D和非高斯扩散参数NGP,并对其进行分析,我们发现金-石墨烯复合壁面对于离子液体的扩散有很大的抑制作用,复合壁面上离子液体的扩散系数比单纯金壁面上或单纯石墨烯壁面上的都要低。在金-石墨烯复合壁面上,离子液体液滴的接触角类似于在石墨烯壁面上,而扩散的分层状况类似在于金原子壁面上,液滴中原子运动的动力学不均匀性也类似于在金原子壁面上。在金原子壁面上覆盖一层石墨烯后,对于离子液体的润湿,能够在对其扩散状况影响较小的情况下,极大地改变其接触角。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/49419
Collection非线性力学国家重点实验室
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GB/T 7714
李晓鹏. 纳米通道中流体输运的驱动和控制问题的分子动力学研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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